Photonen sind die Quanten des elektromagnetischen Feldes. Sie eröffnen ein Verständnis von Licht als Strom von Teilchen, den Photonen, das komplementär zur klassischen Wellenbeschreibung ist. 

Im Gegensatz zu thermischem Licht, wie es von einer Glühbirne abgestrahlt wird, oder der kohärenten Emission eines Lasers, existieren auch Lichtzustände mit dezidiert quantenmechanischen Eigenschaften. Eine Beschreibung dieser Zustände ist im Rahmen der klassischen Physik nicht möglich. Charakteristisch für nicht-klassisches Licht ist beispielsweise das sogenannte Anti-Bunching: Photonen, die aus einer Quelle entsandt werden, haben immer einen bestimmten zeitlichen Mindestabstand, so dass nie zwei Photonen gleichzeitig emittiert werden. Einzelne Photonen sind elementarer Bestandteil vieler Quantenanwendungen, und Lichtquellen, die durch das Drücken eines Knopfes einzelne Photonen aussendet. Ein solches Gerät ist der zentrale Baustein eines wirklich sicheren quantenbasierten Kommunikationsnetzwerks wie BB84, bei dem die Verschlüsselung auf den intrinsischen Eigenschaften von Lichtquanten beruht. Jeder potenzielle Abhörversuch würde entlarvt werden, da der Messvorgang den Zustand des Photons irreversibel verändert.

Es ist allerdings auch möglich, mittels einer Emissionskaskade gezielt Paare von Photonen zu erzeugen, die bezüglich ihrer inhärenten Eigenschaften, etwa der Polarisationsrichtung, miteinander verschränkt sind. Für dieses Quantenlicht gibt es diverse Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Quantentechnologien, indem Photonen als fliegende Qubits verwendet werden. So können Paare von verschränkten Photonen für die Quantenschlüsselübertragung eingesetzt werden, etwa im Rahmen des bekannten E91-Protokolls. Auch an photonischen Quantencomputern, in denen Photonen mit Quantengattern bestehend aus linearen optischen Elementen manipuliert werden, wird intensiv geforscht. Photonisches Computing ist insbesondere durch die Kosteneffizienz im Vergleiche zu unseren digitalen, transistorbasierten Technologien, von großem Interesse. Während für erstere Anwendung ein möglichst zuverlässiges Anti-Bunching wünschenswert ist, erfordert letztere vor allem eine hohe Ununterscheidbarkeit der Photonen, um optimale Quanteninterferenz zu gewährleisten.

Es existierten vielfältige mehr oder weniger etablierte Materialplattformen zur Realisierung von Quantenlichtquellen. Hervorzuheben sind hierbei epitaktisch gewachsene Halbleiter-Quantenpunkte aus Verbindungen von Elementen der III. und V. Hauptgruppe im Periodensystem, sowie Defekte in Silizium-Kristallen. Seit Kurzem werden auch Einzelphotonenquellen basierend auf zweidimensionalen Halbleiter-Materialien erforscht, wobei ein Fokus auf Mono- und Bilagen von sogenannten Übergangsmetall-Dichakogeniden liegt: Hier besteht die Möglichkeit, durch gezielte Deformation der atomar dünnen Schichten räumlich lokalisierte elektronische Zustände zu erzeugen, aus denen dann die Emission einzelner Photonen erfolgt. 

Rasterelektronenmikroskopaufnahme von deterministisch erzeugten Falten in einer WSe₂-Monoschicht-Nanoschicht, die linear polarisierte Einzelphotonenquellen beherbergen. Der Maßstab beträgt 1 µm. 

Noch raffinierter sind sogenannte Moiré-Systeme, bei denen durch gezieltes Verdrehen zweier Monolagen gegeneinander ein periodisches (Moiré-)Potential erzeugt wird, in dem einzelne Elektron-Loch-Paare lokalisiert werden können. Rekombinieren Elektron und Loch, wird ein einzelnes Lichtquant, oder Photon, ausgesandt.

An der CvO Universität Oldenburg wird aktiv an der Erzeugung nichtklassischen Lichts geforscht.  Hier konzentrieren wir unsere Aktivitäten auf:

• die Entwicklung einer hellen Einzelphotonenquelle auf Basis kostengünstiger 2D-Halbleiter,

• die Implementierung des Quantenkommunikationsprotokolls BB84 unter Verwendung dieser Quantenemitter,

• die Verbesserung der Ununterscheidbarkeit von Einzelphotonen durch Integration eines Quantenemitters in eine optische Mikrokavität, die die Licht-Materie-Wechselwirkung stark modifiziert.“ 

   

Another true quantum phenomenon is a condensation of identical particles into a single quantum state. The idea was developed by Einstein and Bose already in the very beginning of quantum era, and the current studies are aimed to observe such effect in novel quantum materials. Polariton condensation in TMDC in Oldenburg.. 

Sie möchten mehr wissen? Der Studiengang Physik bietet die Vorlesung Quantenoptik an.

Kontakte:

AG Quantentheorie
Prof. Dr. Christopher Gies

AG Quantenmaterialien
Prof. Dr. Christian Schneider