Wie ein Photonik-Kristall unerwünschtes Licht unterdrückt

Für Quantennetzwerke gibt es zwei eng miteinander verbundene Herausforderungen: Einzelne Photonen müssen zuverlässig und in großer Zahl erzeugt werden. Gleichzeitig müssen ihre zeitlichen Eigenschaften präzise zu den Quantenspeichern passen, die sie durch das Netzwerk übertragen.

Forschende der Technischen Universität München (TUM) und des Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST) verfolgen dafür einen neuen Ansatz. Sie unterdrücken nicht benötigte Emissionswege eines Erbium-Emitters, anstatt lediglich den gewünschten Übergang in einem schmalbandigen Resonator zu beschleunigen. Eine Arbeit aus Taiwan ergänzt diese Entwicklung mit einem Modell, das die Korrelationen zwischen Speicheranregung und ausgesendetem Photon unter realistischen Bedingungen vorhersagt.

München: Unerwünschtes Licht wird ausgesperrt

Die Münchner Gruppe bettete Erbium-Ionen in mikrometerkleine W1-Silizium-Wellenleiter mit photonischer Kristallstruktur ein. Deren gezielt gestaltete Bandlücke senkt die lokale optische Zustandsdichte bei unerwünschten Erbium-Übergängen. Licht, das sonst in diese Kanäle abgegeben würde, wird dadurch unterdrückt und auf den gewünschten Übergang konzentriert.

Das unterscheidet sich vom klassischen Purcell-Ansatz: In einem Resonator wird meist ein bestimmter Übergang stark beschleunigt. Die Wellenleiter-Methode lässt dagegen die konkurrierenden Kanäle langsamer werden oder blockiert sie optisch – ohne einen hochgütigen, exakt abgestimmten Resonator zu benötigen.

Im ersten Experiment stieg der Anteil der gewünschten radiativen Emission von etwa 23 auf rund 72 Prozent. Das entspricht ungefähr einer Verdreifachung der spektralen Reinheit beziehungsweise der Verzweigungseffizienz.

Worin der Ansatz von einem schmalbandigen Resonator abweicht

• Reinheit: Beide Methoden können den Anteil nutzbarer Photonen erhöhen. Der Wellenleiter erreicht dies jedoch, indem er Leckkanäle unterdrückt, statt einen einzelnen Kanal stark zu beschleunigen.
• Geschwindigkeit und Kontrolle: Purcell-Resonatoren verkürzen die Lebensdauer eines Emitters deutlich. Das kann höhere Wiederholungsraten ermöglichen, aber auch die Photonen verbreitern, die zeitliche Steuerung erschweren und bei schnellen Emittern Mehrphotonenfehler begünstigen. Der Wellenleiter erhält die Lebensdauer eher oder kann sie verlängern und setzt damit auf eine schonendere Kontrolle.
• Bandbreite und Abstimmung: Ein hochgütiger Resonator wirkt besonders stark in einem schmalen Frequenzbereich und muss eng an den Emitter angepasst werden. Die Bandlückenstruktur ermöglicht dagegen Sammlung und Unterdrückung über einen breiteren Frequenzbereich. Dadurch lassen sich Emitter mit unterschiedlichen optischen Frequenzen unterscheiden, einzeln ansprechen und innerhalb des Arbeitsbereichs der Struktur auswählen.
• Skalierbarkeit: Das ausgedehnte Modenvolumen des Wellenleiters erlaubt geringere Dotierungskonzentrationen und vermeidet einige Beschränkungen kleiner, hochgütiger Resonatoren. Die Forschenden berichten, dass sie Dutzende Erbium-Emitter auflösen und einzeln ansprechen konnten.

Erbium ist besonders interessant, weil es nahe dem Telekommunikationsbereich emittiert, in dem Glasfasern Licht vergleichsweise verlustarm übertragen. Viele einzeln adressierbare Spin-Photon-Schnittstellen könnten deshalb künftig als Knoten oder Kanäle in faserbasierten Quantennetzen dienen. Eine solche weitreichende Verbindung wurde in dieser Arbeit allerdings noch nicht demonstriert.

Taiwan: Modell für Photon-Speicher-Korrelationen

Ein Forschungsteam der National Cheng Kung University und der National Tsing Hua University entwickelte unabhängig davon eine Theorie für Raman-Photonenquellen nach dem DLCZ-Verfahren. DLCZ steht für Duan, Lukin, Cirac und Zoller und bezeichnet ein Konzept für Quantennetzwerke, bei dem Photonen mit kollektiven Anregungen – sogenannten Spinwellen – in atomaren Speichern gekoppelt werden.

Das Modell berücksichtigt sowohl Quantenrauschen und die Dynamik der Atome mit einem Heisenberg-Langevin-Ansatz als auch die Ausbreitung der Lichtfelder mithilfe der Maxwell-Schrödinger-Gleichungen. Zusätzlich wird einbezogen, dass der Schreibpuls die Besetzungsverteilung der Atome verändert.

So lassen sich die zeitabhängige Stokes-Emission, die Entstehung und Entwicklung der kollektiven Spinwelle, die Form des zurückgewonnenen Anti-Stokes-Photons sowie die zeitaufgelösten Korrelationen zwischen beiden Photonen gemeinsam berechnen.

Die experimentell bestätigte zentrale Skalierung lautet: Echte korrelierte Koinzidenzen wachsen ungefähr linear mit der mittleren Anzahl angeregter Spinwellen. Zufällige Koinzidenzen nehmen dagegen deutlich schneller zu, annähernd quadratisch. Wird die mittlere Spinwellenanregung reduziert, steigt damit die normalisierte Kreuzkorrelation der Photonenpaare. In den berichteten Versuchen verstärkten kürzere Schreibpulse die Korrelationen.

Das liefert konkrete Hinweise für die Wahl von Dauer und Intensität der Schreib- und Lesepulse, den Zeitpunkt des Auslesens und die zeitlichen Detektionsfenster. Ziel ist, möglichst viele heraldete Photonenpaare zu erzeugen und zugleich Mehrfachanregungen sowie zufällige Hintergrundereignisse zu begrenzen. Die kontrollierte Auslesung kann außerdem das Anti-Stokes-Wellenpaket zeitlich begrenzen oder in Abschnitte teilen. Das erleichtert die Anpassung zeitlicher Moden zwischen Quantenspeichern und entfernten Netzwerkknoten.

Zwei Bausteine für künftige Quantennetzwerke

Die Münchner Arbeit ist vor allem ein Ansatz für Materialien und Photonen-Schnittstellen: Sie verbessert die Qualität und mögliche Vervielfachung von Einzelphotonenquellen. Die Studie aus Taiwan ist dagegen ein Werkzeug zur Modellierung und Steuerung von Quellen und Quantenspeichern. Zusammengenommen weisen beide Entwicklungen auf telekomkompatible, multiplexfähige Schnittstellen hin, deren Photonen in Frequenz, Zeitprofil und Korrelation gezielt für Quantenrepeater angepasst werden könnten.

Die Taiwan-Studie liegt als arXiv-Preprint vor. Ihre experimentellen Aussagen sollten daher bis zu einer unabhängigen Begutachtung als vorläufig betrachtet werden.