Passive Zwei-Photonen-Quantenpunkte ermöglichen sichere Photonik

Ingenieure der Universität Innsbruck haben gemeinsam mit einem Team von Wissenschaftlern mehrerer renommierter Institutionen eine neuartige Methode zur Erzeugung dualer Quantenpunkte vorgestellt. Diese einzigartigen Kreationen ermöglichen die Erzeugung eines Biexzitonenzustands ohne aktive Schaltelemente (EOMs) und stellen einen bedeutenden Meilenstein für die Quantentechnologie dar.

Die Arbeit des Teams vereint jahrelange Forschung in Quantenoptik, Halbleiterphysik und Photonik, um die Tür für Quantencomputer und -kommunikation der nächsten Generation zu öffnen. Hier erfahren Sie, was Sie wissen müssen.

Photonisches Quantencomputing

Photonisches Quantencomputing nutzt Lichtphotonen, um ein neues Niveau der Rechenleistung zu erreichen. Diese Systeme funktionieren durch die Übertragung von Photonen durch speziell entwickelte optische Elemente. Diese Komponenten ermöglichen es dem Gerät, Algorithmen deutlich schneller zu berechnen als andere Quantencomputing-Ansätze.

Insbesondere kündigte das Photonikunternehmen Xanadu an Aurora am 22. Januar 2025 – ein modularer, vernetzter photonischer Prototyp, der aus vier Rack-montierten Modulen besteht, die über Glasfaser verbunden sind (12 physikalische Qubits, 35 Chips, ca. 13 km Glasfaser). Er demonstriert einen praktischen Weg zur Skalierbarkeit, nicht zur Fehlertoleranz.

Trotz seiner besseren Leistung ist Aurora noch immer mit vielen der traditionellen Hindernisse für Quantencomputer konfrontiert, darunter hohe Kosten, technische Anforderungen und spezielle Hardware.

Quelle - Universität Innsbruck

Warum Quantenpunkte ideale Einzelphotonenquellen sind

Um diese Hindernisse zu überwinden, haben Ingenieure mit der Erforschung von Quantenpunkten begonnen. Diese Halbleiter ermöglichen die deterministische Erzeugung von Mehrphotonenzuständen und sind damit die idealen Bausteine für Qubits in Quantencomputeranwendungen.

Quantenpunkte sind Nanostrukturen. Sie sind oft weniger als 10 Nanometer groß, was etwa einem Zehntausendstel der Größe eines menschlichen Haares entspricht. Diese mikroskopisch kleinen Einheiten können entscheidende Eigenschaften aufweisen, wie beispielsweise die Fähigkeit, bei Bedarf einzelne Photonen zu emittieren, was sie ideal für Quantenanwendungen macht.

Zur Anregung der Quantenpunkte nutzen die Ingenieure ein optisches Anregungsverfahren, das von ultraschnellen aktiven Polarisationsschaltmodulen angetrieben wird. Dadurch entsteht der Multiphotonenzustand, der diese Einheiten zu Kernkomponenten modernster medizinischer Bildgebungsgeräte, Mikroskopie, Solarzellen der nächsten Generation, LEDs, Laser, Quantencomputer und mehr macht.

Warum aktives EOM-Demultiplexing die QD-Skalierbarkeit einschränkt

Eines der größten Probleme heutiger Quantenpunkte besteht darin, dass jeder Punkt einzigartig ist und eine leicht unterschiedliche Farbe emittiert. Daher sind Hightech-Module erforderlich, um die Erzeugung mehrerer Photonen zu gewährleisten. Diese Geräte sind kompliziert und teuer. Zudem erfordert ihr Betrieb spezialisierte Ingenieure.

Ein weiterer limitierender Faktor ist die Hardwareleistung dieser Switches. Bisher waren alle Switches durch ihre physikalischen Designmerkmale eingeschränkt. Die Geräte verfügen über maximale Schaltgeschwindigkeiten, die sich mit der Zeit mit zunehmendem Alter der Hardware verlangsamen können. Diese Szenarien führten zu unerwünschten Leistungseinbußen und Ineffizienzen.

Neue Studie: Passive Demultiplex-Zwei-Photonen-Zustände von einem einzelnen Quantenpunkt

Wissenschaftler der Universität Innsbruck arbeiteten mit einem Team von Ingenieuren aus aller Welt zusammen, um die Studie „Passive demultiplexed two-photon state generation from a quantum dot“ abzuschließen.¹ diesen Monat in der wissenschaftlichen Zeitschrift npj Quantum Information veröffentlicht.

Das Papier beschreibt eine passive Quantenpunkt-Demultiplextechnik, die im Vergleich zu ihren Vorgängern eine verbesserte Leistung und Stabilität bietet. Ihre Arbeit demonstriert eine stabilere, skalierbarere und effizientere Methode zur Herstellung leistungsstarker Quantenpunkte, die die fortschrittlichsten Technologien von morgen antreiben könnten.

Stimulierte Zwei-Photonen-Anregung (sTPE): Die Kernidee

Kernstück der Arbeit ist eine optische Technik namens stimulierte Zwei-Photonen-Anregung. Mit diesem Verfahren können die Forscher dem Quantenpunkt genau vorgeben, wie und wann er Licht emittieren soll. Die Anregung ist dabei nur durch die Lebensdauer des Quantenpunkts und nicht durch die Hardwareleistung begrenzt.

Im Rahmen des Anregungsprozesses haben die Ingenieure Laserpulse präzise abgestimmt, um Photonenströme in unterschiedlichen Polarisationszuständen zu erzeugen. Diese Methode macht insbesondere zusätzliche Hardware wie aktive Schaltkomponenten überflüssig.

Dieser Ansatz ermöglicht die Anregung direkt aus einem Quantenpunkt, ohne dass aktive Schaltkomponenten erforderlich sind. Der neue Ansatz kombiniert Laserpulsformung, polarisationsspezifische Pulspaarerzeugung und ein Kryomikroskop, um viele technische Hindernisse zu beseitigen, die bisherige Quantenpunktanregungsversuche behinderten.

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Im Inneren des Setups: Wellenlängen, Verzögerungen und Polarisationskontrolle

Der erste Schritt des Prozesses besteht darin, die Quantenpunkte zu isolieren. Anschließend wird ein Femtosekunden-Ti:Saphir-Laser mit Pulsen bei einer Resonanz von 780.3 nm eingesetzt. Zwei 4f-Pulsformer beginnen mit der spektralen Formung der Quantenpunkte, versetzen sie in einen Biexzitonenzustand und lösen Photonenemissionen aus.

Im Rahmen des Prozesses arbeitet ein polarisierender Strahlteiler (PBS) mit dem speziell entwickelten Pulspaargenerator zusammen, um sowohl H- als auch V-polarisierte Photonen zu erzeugen. Insbesondere nutzten die Ingenieure eine Glasfaserverzögerung, Detektoren und Interferometer, um sicherzustellen, dass die Zeitunterschiede zwischen den Zuständen genau erfasst wurden.

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Experimentelle Ergebnisse: Reinheit, HBT und Zwei-Photonen-Ausgabe

Um ihr Konzept zu testen, begann das Team mit der Herstellung von Quantenpunkten. Das Papier beschreibt, wie im ersten Teil der Testphase eine Probe von GaAs/AlGaAs-Quantenpunkten mittels Molekularstrahlepitaxie und lokalem Tropfenätzen gezüchtet wurde.

Anschließend führten die Ingenieure mehrere Tests durch, um die Leistung und Qualität der Quantenpunkte zu messen. Dabei wurde auch die Einzelphotonenreinheit der Exzitonenemissionen erfasst. Diese Tests wurden mit einem Faserstrahlteiler und empfindlichen Scangeräten durchgeführt.

Die Wissenschaftler machten genaue Aufzeichnungen über die Qualität der beiden unabhängigen, orthogonal polarisierten Einzelphotonen, die sie erhielten. Dazu musste das Team die Korrelationsfunktion zweiter Ordnung der Punkte messen.

Um diese Aufgabe zu bewältigen, entschieden sich die Ingenieure für den Einsatz eines Hanbury Brown and Twiss (HBT)-Aufbaus. Dieser Test wurde speziell für die Untersuchung der Photonenstatistik verschiedener Lichtquellen entwickelt.

Die Testergebnisse mit Dual-State-Quantenpunkten sind vielversprechend für die Technologie. Das Team stellte den Stimulationsimpuls so ein, dass er etwa 6 ps nach dem TPE-Impuls eintrifft, und zeigte, dass die Schaltrate eher durch die Lebensdauer der Exzitonen als durch die EOM-Hardware begrenzt ist. Dieses Ergebnis bestätigte die Annahme der Ingenieure, dass ihre neue Methode nur durch die Lebensdauer der Quantenpunkte und nicht durch die Schaltfähigkeit der Hardware eingeschränkt ist.

Warum es für QKD und Multiphotoneninterferenz wichtig ist

Diese Studie bringt dem Markt viele Vorteile. Sie ermöglicht ein tieferes Verständnis des Quantencomputings und seiner Möglichkeiten. Diese Entdeckung könnte weitere Innovationen in der Quantenoptik, der Halbleiterphysik und der Photonik vorantreiben.

Schneller: GHz-Betrieb durch Exziton-Lebensdauer begrenzt

Mit diesem Ansatz lassen sich nutzbare Quantenpunkte schneller erzeugen als mit herkömmlichen Methoden, die eine spezielle, individuell angepasste und fein abgestimmte Schaltausrüstung erfordern. Bei dieser Strategie werden die Quantenpunkte direkt mit Lasern statt mit Elektronik angeregt.

Günstiger: Keine EOMs, weniger Verluste und Komplexität

Der Wegfall bisheriger Schaltgeräte senkt zudem die Gesamtkosten für die Herstellung von Quantenpunkten. Entwicklung, Betrieb und Wartung dieser Geräte erhöhen die Gesamtkosten der Quantencomputerforschung.

Anwendungen (QKD, Photonische Qualitätskontrolle) und realistischer Zeitplan

Dual-State-Quantencomputer-Punkte bieten heute vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Diese Einheiten stellen einen großen Fortschritt für die Quantentechnologie dar. Dieser Prozess könnte Innovationen in verschiedenen Branchen vorantreiben und die Verbreitung dieser bahnbrechenden Technologie fördern.

Forschung: Multi-Photonen-Interferenz und Quellen-Benchmarking

Ein wichtiger Anwendungsbereich dieser Studie ist die Förderung von Innovationen im Bereich Quantencomputer. Diese neueste Entwicklung wird künftige Experimente zur Multiphotoneninterferenz vorantreiben und das Verständnis der Wissenschaftler für die grundlegenden Prinzipien der Quantenmechanik vertiefen.

Sichere Kommunikation: Mehrparteien-QKD und Vernetzung

Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet dieser Technologie ist die Kommunikation. Quantenkommunikation verspricht hohe Sicherheit, enorme Datenübertragungsmöglichkeiten und geringere Kosten. Diese hochsicheren Kommunikationsnetzwerke ermöglichen nahezu Echtzeitkommunikation mit mehreren Quellen gleichzeitig.

Einführungszeitplan: Von Labordemos bis zu Feldpiloten

Es könnte etwa zehn Jahre dauern, bis diese Technologie der breiten Öffentlichkeit zugänglich ist. Quantencomputer gelten vielen als die natürliche Weiterentwicklung der Informatik. Sie sind jedoch noch sehr teuer und erfordern Hardware wie Kryokammern, die für die meisten Menschen unerschwinglich sind.

Forscher für Quantenpunkte mit zwei Zuständen

Die Studie zu den Dual State Quantum Dots wurde von der Photonics Group am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck durchgeführt. An der Forschung waren auch Teilnehmer der Universität Cambridge, der Johannes Kepler Universität Linz und anderer Institutionen beteiligt.

Vikas Remesh war der leitende Forscher der Studie. Er wurde zusätzlich von Gregor Weihs, Yusuf Karli und Iker Avila Arenas unterstützt. Finanziert wurde die Studie vom Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF), der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) und den Forschungsprogrammen der Europäischen Union.

Was kommt als Nächstes: Künstliche Punkte mit beliebiger linearer Polarisation

Die Zukunft dualer Quantenpunkte könnte nicht rosiger sein. Nach dem erfolgreichen Start des Aurora-Computers in diesem Jahr wurde die Forschung zu dieser Technologie intensiviert. Nun will das Team Hochleistungs-Quantenpunkte mit beliebigen linearen Polarisationszuständen entwickeln.

In Quantencomputing investieren

Im Bereich Quantencomputer gibt es mehrere Branchenführer. Diese Unternehmen investieren weiterhin Millionen in Forschung und Entwicklung, um die Technologie zugänglicher und leistungsfähiger zu machen. Hier ist ein Unternehmen, das weiterhin neue und spannende Innovationen hervorbringt.

Quantencomputing Inc

Quantum Computing Inc. mit Sitz in Virginia (QUBT ) trat 2018 mit dem Ziel auf den Markt, Quantentechnologien und deren Verbreitung voranzutreiben. Das Unternehmen fand sofort Unterstützung bei Investoren und wurde 2021 an der NASDAQ notiert. Heute ist das Unternehmen ein führender Anbieter von Hardware und Software für Quantencomputer.

Quantum Computing Inc. bietet derzeit verschiedene Quantencomputerlösungen an. Beispielsweise kann das Qatalyst-System komplexe Finanz- und Logistikalgorithmen verarbeiten und verschafft Nutzern so einen Wettbewerbsvorteil. Das Unternehmen bietet außerdem Zugang zu seinem Reservoir Photonic Computer, der selbst komplexeste Gleichungen mithilfe von Lichtphotonen lösen kann.

Aktuelle Nachrichten und Entwicklungen zur Aktie Quantum Computing Inc. (QUBT)

Fazit zu Dual-State-Quantenpunkten

Die Studie zum Dual-State-Quantenpunkt zeigt, wie die Zusammenarbeit führender wissenschaftlicher Institutionen zur Lösung einiger der komplexesten Probleme der Welt beitragen kann. Quantencomputing wird die Zukunft in vielerlei Hinsicht verändern, und diese Ingenieure haben ihren Teil dazu beigetragen, dass diese Geräte neue Leistungsniveaus erreichen. Aus diesen und vielen weiteren Gründen verdienen diese Wissenschaftler Anerkennung.

Erfahren Sie mehr über andere Durchbrüche im Computing werden auf dieser Seite erläutert.

Referenzen: (Die Referenzliste bleibt in der wissenschaftlichen Zitierweise erhalten)

^{1. Karli, Y., Avila Arenas, I., Schimpf, C. et al. Passive demultiplexte Zwei-Photonen-Zustandserzeugung aus einem Quantenpunkt. npj Quanteninf 11, 139 (2025). https://doi.org/10.1038/s41534-025-01083-0}