Aktuelles aus der Physik

Fortschritt in der Quantentechnologie

Einzelphotonenquellen sind die Grundlage für die Quantenkommunikation. Stephan Rinner und Florian Burger entwickeln dafür Nanostrukturen, die unerwünschte Frequenzen blockieren und dadurch die Effizienz deutlich verbessern. Im experimentellen Aufbau wird Laserlicht in Glasfasern zu einem Mikroskop geleitet, in dem die winzigen Strukturen sichtbar gemacht werden können. Bild: Christoph Hohmann / MCQST

Die photonischen Kristallwellenleiter sind nur wenige Mikrometer klein. Sie umgeben den Emitter und verhindern dadurch die Emission von Photonen mit unerwünschten Frequenzen, sodass nur Photonen der benötigten Frequenz erzeugt werden.

Absolut abhörsichere Übertragung großer Datenmengen: Die Quantenkommunikation verspricht viele Vorteile gegenüber heute gängigen Technologien. Allerdings werden dafür Einzelphotonen benötigt – sie zu erzeugen ist aber sehr schwierig. Forschende der Technischen Universität München (TUM) und des Exzellenzclusters Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST) haben eine neue Methode entwickelt, die die Probleme bisheriger Ansätze überwindet.

Statt die gewünschte Frequenz zu verstärken, unterdrücken die Forschenden gezielt unerwünschte Frequenzen. Bisher kommen für die Produktion von Einzelphotonen meist sogenannte Resonatoren zum Einsatz – winzige optische Strukturen, die die Photonenquellen so beeinflussen, dass sie Licht vermehrt bei einer bestimmten Frequenz abgeben. Diese Resonatoren funktionieren jedoch nur in einem engen Frequenzbereich und müssen präzise auf die jeweilige Photonenquelle abgestimmt werden.

Forschende der TUM und des MCQST haben deshalb einen neuen Ansatz entwickelt und gehen den umgekehrten Weg. Anstatt die Emitter dazu zu bringen, vermehrt Licht bei einer bestimmten Frequenz abzugeben, passen sie die Umgebung des Emitters so an, dass weniger Licht bei unerwünschten Frequenzen abgegeben werden kann. Dafür nutzen sie photonische Kristallwellenleiter. Das sind Nanostrukturen, die durch regelmäßig angeordnete Strukturen Wege blockieren, über die eine Photonenquelle Licht aussenden kann. Das Team baut die photonischen Kristallwellenleiter dabei so, dass sie nur unerwünschte Lichtfrequenzen unterdrücken und die erwünschten erhalten bleiben.

Dreifache Erhöhung des Photonenanteils

Erste Versuche bestätigen die Wirksamkeit der Technologie: durch die photonischen Kristallwellenleiter konnten sie den Anteil an gewünschten Photonen im emittierten Licht von etwa 23% auf rund 72% steigern. Damit erreicht die neue Methode Werte, die bisher nur mit deutlich aufwendigeren Resonatoransätzen erzielt wurden.

Mit dem neuen Ansatz erfolgt die Photonenerzeugung außerdem etwas langsamer als bisher. Auch das ist für die Quantenkommunikation wichtig: „Wenn Photonen zu schnell erzeugt werden, können wir ihre Eigenschaften schlecht kontrollieren“, erklärt Andreas Reiserer, Professor für Quantennetzwerke an der TUM. „Unser Ansatz ist daher für viele Emitter deutlich besser geeignet als die bisher verwendeten Resonatoren.“

Die ersten Experimente führten die Forschenden mit Erbium als Photonenquelle durch. Ein Element, das bereits heute in Glasfasertechnologien verwendet wird.

Mehrere Emitter und anpassbar

Weil die Kristallwellenleiter größer und breitbandiger sind, ergeben sich zwei zentrale Vorteile. Erstens können mehrere Photonenquellen – sogenannte Emitter – gleichzeitig in einem Bauteil genutzt werden. Bei Resonatoren ist dies aufgrund ihrer sehr kleinen Bauform nur eingeschränkt möglich. Zweitens lässt sich die gewünschte Frequenz flexibler auswählen, da die photonischen Kristallwellenleiter nicht wie klassische Resonatoren präzise auf jeden Emitter angepasst werden müssen.

Florian Burger, Doktorand und Erstautor der Publikation, gibt einen Ausblick:

„Quantennetzwerke sollen eines Tages viele Quantensysteme miteinander verbinden. Dafür braucht es Schnittstellen, die Informationen aus einem Quantensystem zuverlässig auf einzelne Photonen übertragen und diese anschließend beispielsweise über Glasfasern versenden können. Unsere Arbeit legt dafür die Grundlage.“

Publikation

Florian Burger, Stephan Rinner, Andreas Gritsch, Kilian Sandholzer and Andreas Reiserer; Nature Communications (2026) https://doi.org/10.1038/s41467-026-75489-5

Weitere Informationen und Links

Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und dem Freistaat Bayern im Rahmen der Exzellenzstrategie von Bund und Ländern. www.exzellenz.tum.de
Dieses Projekt wurde gefördert durch die Hightech Agenda Bayern (HTA).
Die Professur für Quantennetzwerke ist Teil der TUM School of Natural Sciences.

Kontakte zum Artikel

Florian Burger
Technische Universität München
Professur für Quantennetzwerke
f.burger@tum.de

Prof. Dr. Andreas Reiserer
Technische Universität München
Professur für Quantennetzwerke
Tel: 49 (89) 289 - 53650
andreas.reiserer@tum.de
https://www.ph.nat.tum.de/quantum-networks/homepage/

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