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Quantenoptik Extreme Präzision: Quantenpunkt auf Atomwellenlänge eingestellt

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

War die Quantenoptik früher eine Spielwiese der Grundlagenforschung, so ist sie in den vergangenen Jahren immer mehr zur Anwendungswissenschaft geworden. So können die Forschungsergebnisse beispielsweise für die Entwicklung extrem schneller und präziser Elektronikbauteile eingesetzt werden.Wissenschaftler haben jetzt einen Quantenpunkt genau auf atomares Cäsium abgestimmt. Dies kann z.B. bei der Entwicklung abhörsicherer Kommunikation helfen.

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Spektrale Abstimmung eines Quantenpunktes („QD“) auf atomares Cäsium (Cs-FADOF).
Spektrale Abstimmung eines Quantenpunktes („QD“) auf atomares Cäsium (Cs-FADOF).
(Bild: Universität Stuttgart/IHFG )

Stuttgart – Ein Forscherteam der Universität Stuttgart und des Max Planck Instituts für Festkörperforschung haben ein Experiment zur Kombination von Quantenpunkten und Atomdämpfen durchgeführt. Die Arbeit zielt auf die Integration der idealen Eigenschaften einer Festkörper-Einzelphotonenquelle, welche spektral mit Atomdämpfen überlappt, und soll den Austausch von Quanteninformationen über viele Labore hinweg erleichtern.

Festkörpersysteme mit Atomdämpfen kombiniert

Die Arbeitsgruppen, geleitet durch die Wissenschaftler Dr. Ilja Gerhardt (Max Planck Institut und 3. Physikalisches Institut der Universität Stuttgart) und Dr. Simone Luca Portalupi (Institut für Halbleiter und funktionelle Grenzflächen, IHFG, Universität Stuttgart), stellen sich die Aufgabe, die verschiedenen Arbeitsgebiete der Quantenoptik auf eine gemeinsame Basis zu stellen und quasi eine gemeinsame Sprache zwischen den jeweiligen Forschungsfeldern zu finden. Ihr Arbeitsfeld sind so genannte Quantenhybridsysteme. In diesem konkreten Fall kombinieren die Forscher die Arbeit in Festkörpersystemen mit –üblicherweise in anderen Laboren untersuchten– Atomdämpfen. Diese Forschung wird in Zukunft neuartige Quantentechnologien ermöglichen, wie zum Beispiel maximal abhörsichere Kommunikation. Ein anderes Forschungsfeld sind so genannte Quantensensoren, die mithilfe der Quantennatur viele Größenordnungen empfindlicher sein können als klassische Sensoren.

Eine Einzelphotonenquelle basiert auf einem Quantenpunkt („QD“), einem winzigen Halbleitergebilde, und stimmt diesen spektral auf atomares Cäsium (Cs-FADOF) ab. Unter starker resonanter Anregung teilen sich die emittierten Photonen in ein so genanntes “Mollow-Triplet”, welches auf drei charakteristischen Linien leuchtet. Hierbei ist die Emission von Photonen immer einzeln und nacheinander – ein fundamentaler Unterschied zum Beispiel zu einer normalen Lampe oder etwa der Sonne. Diese, als „nicht-klassische Lichtquelle“ bezeichnete Lampe, kann extrem schmalbandig sein (das heißt, sie emittiert nur auf einer einzigen Wellenlänge), und gleichzeitig extrem hell. Damit bietet sie die idealen Eigenschaften für neuartige Quantenkommunikation und Quanteninformationsprotokolle.

Cäsiumatom als extrem präzise Farbpalette

Wenn man aus mehreren Quantenpunkten jedoch ein Netzwerk zusammenbauen will, besteht häufig das Problem, dass in verschiedenen Laboren wiederum verschiedene Quantenpunkte vorliegen. Dies macht die verschiedenen Arbeiten häufig nicht kompatibel zu einander. Die vorgestellte Arbeit versucht genau dieses Problem zu lösen und stellt den Quantenpunkt genau auf die Atomwellenlänge ein. Dies erlaubt eine Weiterverbreitung von Quanteninformation über viele Labore hinweg.

Cäsiumatome sind bereits seit vielen Jahren der primäre Zeitstandard in Wissenschaft und Technik. In der präsentierten Arbeit werden dieselben Atome als spektraler Filter für die oben genannten Quantenpunkte genutzt. Dabei sind sie gleichzeitig aber auch eine absolute Farbreferenz für deren Emission. Die genaue Referenz ist dabei um mehrere tausend Male präziser als zum Beispiel eine normale Farbpalette, wie wir sie aus dem Alltag kennen.

Originalpublikation: Simone Luca Portalupi, Matthias Widmann, Cornelius Nawrath, Michael Jetter, Peter Michler, Jörg Wrachtrup, and Ilja Gerhardt, “Simultaneous Faraday filtering of the Mollow triplet sidebands with the Cs-D1 clock transition”, Nature Communications 7, 13632 (2016), doi:10.1038/ncomms13632 2016).

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