Passive Zwei‑Photon‑Quantenpunkte ermöglichen sichere Photonik

Ingenieure der Universität Innsbruck haben zusammen mit einem Team von Wissenschaftlern mehrerer renommierter Institutionen eine neuartige Methode zur Erzeugung von Dual‑State‑Quantenpunkten vorgestellt. Diese einzigartigen Erzeugnisse können einen Biexzitonen‑Zustand ohne aktive Schaltelemente (EOMs) erreichen und stellen damit einen bedeutenden Meilenstein für Quantentechnologien dar.

Die Arbeit des Teams vereint jahrelange Forschung in Quantenoptik, Halbleiterphysik und photonischer Technik, um die Tür für die nächste Generation von Quantencomputern und -kommunikation zu öffnen. Hier ist, was Sie wissen müssen.

Photonisches Quantencomputing

Photonisches Quantencomputing nutzt Lichtphotonen, um ein neues Leistungsniveau in der Berechnung zu erreichen. Diese Systeme funktionieren, indem sie Photonen durch speziell entwickelte optische Elemente leiten. Diese Komponenten ermöglichen es dem Gerät, Algorithmen viel schneller zu berechnen als andere Quantencomputing‑Ansätze.

Bemerkenswerterweise kündigte das Photonikunternehmen Xanadu am 22. Januar 2025 Aurora an – einen modularen, vernetzten photonischen Prototyp, der aus vier rackmontierten Modulen besteht, die über Glasfaser verbunden sind (12 physikalische Qubits, 35 Chips, ~13 km Glasfaser). Er demonstriert einen praktischen Weg zur Skalierbarkeit, nicht zur Fehlertoleranz.

Trotz seiner besseren Leistung unterliegt Aurora weiterhin vielen der traditionellen Hindernisse im Quantencomputing, darunter hohe Kosten, technische Anforderungen und spezialisierte Hardware.

Quelle – University of Innsbruck

Warum Quantenpunkte ideale Einzel‑Photon‑Quellen sind

Um diese Hindernisse zu überwinden, haben Ingenieure begonnen, Quantenpunkte zu erforschen. Diese Halbleiter können eine deterministische Erzeugung von Mehr‑Photon‑Zuständen ermöglichen und sind damit die idealen Bausteine für Qubits in Quantencomputing‑Anwendungen.

Bemerkenswerterweise sind Quantenpunkte Nanostrukturen. Sie messen häufig weniger als 10 Nanometer, also etwa 1/10.000 der Dicke eines menschlichen Haares. Diese mikroskopischen Einheiten können entscheidende Eigenschaften besitzen, wie die Fähigkeit, auf Abruf einzelne Photonen zu emittieren, was sie für Quantenanwendungen ideal macht.

Zur Anregung der Quantenpunkte verwenden Ingenieure ein optisches Anregungsverfahren, das von ultraschnellen aktiven Polarisations‑Schaltmodulen gesteuert wird. Diese Aktion erzeugt den Mehr‑Photon‑Zustand, der diese Einheiten zu Kernelementen der heute fortschrittlichsten medizinischen Bildgebungsgeräte, Mikroskopie, nächsten‑Generation‑Solarzellen, LEDs, Laser, Quantencomputer und mehr macht.

Warum aktives EOM‑Demultiplexing die Skalierbarkeit von QDs begrenzt

Eines der größten Probleme bei Quantenpunkten heute ist, dass jeder Dot einzigartig ist und leicht unterschiedliche Farben emittiert. Daher ist der Einsatz hochmoderner Module erforderlich, um die Mehr‑Photon‑Erzeugung sicherzustellen. Diese Geräte sind kompliziert und teuer. Außerdem benötigen sie spezialisierte Ingenieure für den Betrieb.

Ein weiterer begrenzender Faktor ist die Hardware‑Leistung dieser Schalter. Bisher waren alle Schalter durch ihre physikalischen Design‑Eigenschaften limitiert. Die Geräte besitzen maximale Schaltgeschwindigkeiten, die im Laufe der Zeit mit dem Altern der Hardware abnehmen können. Diese Szenarien führten zu unerwünschten Leistungsverlusten und Ineffizienzen.

Neue Studie: Passiv demultiplexierte Zwei‑Photon‑Zustände von einem einzelnen QD

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“¹ zu vollenden, die in diesem Monat in der Fachzeitschrift npj Quantum Information veröffentlicht wurde.

Das Papier beschreibt eine passive Demultiplexing‑Technik für Quantenpunkte, die im Vergleich zu ihren Vorgängern verbesserte Leistung und Stabilität bietet. Ihre Arbeit demonstriert eine stabilere, skalierbare und effiziente Methode zur Herstellung von Hochleistungs‑Quantenpunkten, die die fortschrittlichsten Technologien von morgen antreiben könnten.

Stimulierte Zwei‑Photon‑Anregung (sTPE): Die Kernidee

Im Kern der Arbeit steht eine optische Technik namens stimulierte Zwei‑Photon‑Anregung. Dieser Prozess ermöglicht es den Forschern, dem Quantenpunkt exakt vorzuschreiben, wie und wann Licht emittiert wird, wobei die Anregung nur durch die Lebensdauer des Quantenpunkts und nicht durch die Hardware‑Leistung begrenzt ist.

Im Rahmen des Anregungsprozesses stellten Ingenieure Laserimpulse präzise ein, um Photonströme in unterschiedlichen Polarisationszuständen zu erzeugen. Bemerkenswerterweise eliminiert diese Methode den Bedarf an zusätzlicher Hardware wie aktiven Schaltkomponenten.

Bemerkenswerterweise erzeugt dieser Ansatz die Anregung direkt aus einem Quantenpunkt, ohne dass aktive Schaltkomponenten erforderlich sind. Der neue Ansatz kombiniert die Formung von Laserimpulsen, polarisation‑angepasste Impuls‑Paar‑Erzeugung und ein kryogenes Mikroskop, um viele der technischen Hürden zu beseitigen, die frühere Versuche der Quantenpunkt‑Anregung behinderten.

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Im Inneren des Aufbaus: Wellenlängen, Verzögerungen und Polarisationskontrolle

Der erste Schritt im Prozess besteht darin, die Quantenpunkte zu isolieren. Anschließend wird ein femtosekunden‑Ti:Sapphire‑Laser in Impulsen bei einer Resonanz von 780,3 nm eingesetzt. Zwei 4f‑Impuls‑Shaper beginnen mit der spektralen Formung der Quantenpunkte, treiben sie in einen Biexzitonen‑Zustand und lösen Photonemissionen aus.

Im Rahmen des Prozesses arbeitet ein polarisationsteilender Strahlteiler (PBS) zusammen mit dem eigens entwickelten Impuls‑Paar‑Generator, um sowohl H‑ als auch V‑polarisiert­e Photonen zu erzeugen. Bemerkenswerterweise nutzten die Ingenieure eine faseroptische Verzögerung, Detektoren und Interferometer, um die Zeitdifferenzen zwischen den Zuständen exakt zu verfolgen.

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Experimentelle Ergebnisse: Reinheit, HBT und Zwei‑Photon‑Ausgabe

Um ihr Konzept zu testen, begann das Team mit der Herstellung von Quantenpunkten. Das Papier beschreibt, wie eine Probe von GaAs/AlGaAs‑Quantenpunkten mittels Molekularstrahl‑Epitaxie mit lokaler Tropfenätzung als ersten Teil ihrer Testphase gezüchtet wurde.

Von dort aus führten die Ingenieure mehrere Tests durch, um die Leistung und Qualität der Quantenpunkte zu messen, einschließlich der Registrierung der Einzel‑Photon‑Reinheit der Exziton‑Emissionen. Diese Tests wurden mit einem faser‑Strahlteiler und empfindlichen Scan‑Geräten durchgeführt.

Die Wissenschaftler machten genaue Aufzeichnungen über die Qualität der beiden unabhängigen, orthogonal polarisierten Einzelphotonen. Dieser Schritt erforderte, dass das Team die Zweite‑Ordnung‑Korrelationsfunktion der Dots maß.

Um diese Aufgabe zu bewältigen, beschlossen die Ingenieure, ein Hanbury‑Brown‑und‑Twiss‑Setup (HBT) zu verwenden. Dieser Test wurde speziell entwickelt, um die Photon‑Statistik verschiedener Lichtquellen zu untersuchen.

Die Testergebnisse der Dual‑State‑Quantenpunkte zeigen vielversprechendes Potenzial für die Technologie. Das Team stellte den Stim‑Impuls so ein, dass er etwa 6 ps nach dem TPE‑Impuls ankam, und zeigte, dass die Schaltgeschwindigkeit durch die Exziton‑Lebensdauer und nicht durch die EOM‑Hardware begrenzt ist. Dieses Ergebnis bestätigte den Glauben der Ingenieure, dass ihre neue Methode nur durch die Lebensdauer des Quantenpunkts und nicht durch die Hardware‑Schaltfähigkeiten eingeschränkt ist.

Warum es für QKD und Mehr‑Photon‑Interferenz wichtig ist

Diese Studie bringt zahlreiche Vorteile für den Markt. Erstens öffnet sie die Tür zu einem tieferen Verständnis des Quantencomputings und seiner Fähigkeiten. Diese Entdeckung könnte weitere Innovationen in der Quantenoptik, Halbleiterphysik und photonischen Technik vorantreiben.

Schneller: GHz‑Rate‑Betrieb begrenzt durch Exziton‑Lebensdauer

Dieser Ansatz erzeugt nutzbare Quantenpunkte schneller als traditionelle Methoden, die spezielle Schaltequipment erfordern, das individuell angepasst und feinjustiert werden muss. Diese Strategie regt die Quantenpunkte direkt mit Lasern anstelle von Elektronik an.

Günstiger: Keine EOMs, geringere Verluste & Komplexität

Der Wegfall früherer Schaltequipment reduziert zudem die Gesamtkosten für die Herstellung von Quantenpunkten. Entwicklung, Betrieb und Wartung dieser Geräte trugen bisher zu den Gesamtkosten der Quantencomputer‑Forschung bei.

Anwendungen (QKD, photonisches QC) und realistischer Zeitplan

Heute gibt es mehrere Anwendungen für Dual‑State‑Quantencomputer‑Dots. Diese Einheiten stellen einen Fortschritt für Quantentechnologien dar. Dieser Prozess könnte die Innovation in verschiedenen Branchen vorantreiben und die Einführung dieser bahnbrechenden Technologie beschleunigen.

Forschung: Mehr‑Photon‑Interferenz & Quellen‑Benchmarking

Eine der wichtigsten Anwendungen dieser Studie ist, dass sie die Innovation im Quantencomputing‑Sektor vorantreibt. Diese neueste Entwicklung wird zukünftige Experimente zur Mehr‑Photon‑Interferenz unterstützen und das Verständnis der Wissenschaftler für die grundlegenden Prinzipien, die die Quantenmechanik antreiben, vertiefen.

Sichere Kommunikation: Mehrparteien‑QKD & Vernetzung

Eine weitere wichtige Anwendung dieser Technologie liegt im Kommunikationssektor. Quantenkommunikation verspricht hohe Sicherheit, massive Datenübertragungsfähigkeiten und geringere Kosten. Diese ultra‑sicheren Kommunikationsnetze können nahezu Echtzeit‑Kommunikation zu mehreren Quellen gleichzeitig ermöglichen.

Adoptions‑Zeitplan: Von Labor‑Demos zu Feld‑Pilotprojekten

Es könnte etwa 10 Jahre dauern, bis diese Technologie für die breite Öffentlichkeit verfügbar ist. Viele sehen Quantencomputer als die natürliche Weiterentwicklung des Rechnens. Sie sind jedoch nach wie vor sehr teuer und benötigen Hardware wie kryogene Kammern, die für die meisten Menschen unerschwinglich bleiben.

Forscher der Dual‑State‑Quantenpunkte

Die Studie zu Dual‑State‑Quantenpunkten wurde von der Photonik‑Gruppe der Abteilung für Experimentalphysik der Universität Innsbruck ausgerichtet. Die Forschung listet zudem Teilnehmer von der University of Cambridge, der Johannes‑Kepler‑Universität Linz und anderen Institutionen auf.

Konkret war Vikas Remesh der leitende Forscher der Studie. Er erhielt zusätzliche Unterstützung von Gregor Weihs, Yusuf Karli und Iker Avila Arenas. Die Finanzierung der Studie erfolgte durch den Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF), die Österreichische Forschungsförderungsagentur (FFG) und die Forschungsprogramme der Europäischen Union.

Ausblick: Entwickelte Dots mit beliebiger linearer Polarisation

Die Zukunft der Dual‑State‑Quantenpunkte könnte nicht heller sein. Diese Technologie hat nach dem erfolgreichen Start des Aurora‑Computers in diesem Jahr eine beschleunigte Forschung erlebt. Jetzt wird das Team versuchen, Hochleistungs‑entwickelte Dots mit beliebigen linearen Polarisationszuständen zu erzeugen.

Investitionen in Quantencomputing

Es gibt mehrere Branchenführer im Bereich der Quantencomputer. Diese Unternehmen investieren weiterhin Millionen in Forschung und Entwicklung, in der Hoffnung, die Technologie zukünftig zugänglicher und leistungsfähiger zu machen. Hier ist ein Unternehmen, das weiterhin auf neue und spannende Weise innoviert.

Quantum Computing Inc

Das in Virginia ansässige Quantum Computing Inc. (QUBT ) trat 2018 in den Markt ein mit dem Ziel, Quantentechnologien und deren Adoption voranzutreiben. Das Unternehmen erhielt sofortige Unterstützung von Investoren und wurde 2021 an der NASDAQ notiert. Heute ist das Unternehmen ein führender Anbieter von Quantencomputing‑Hardware und -Software.

Quantum Computing Inc. bietet derzeit mehrere Quantencomputing‑Lösungen an. Zum Beispiel kann das Qatalyst‑System komplexe finanzielle und logistische Algorithmen ausführen und Nutzern einen Wettbewerbsvorteil verschaffen. Das Unternehmen bietet zudem Zugang zu seinem Reservoir‑Photonik‑Computer, der in der Lage ist, die komplexesten Gleichungen mit Lichtphotonen zu lösen.

Neueste Nachrichten und Entwicklungen zu Quantum Computing Inc. (QUBT) Aktien

Dual‑State‑Quantenpunkte  Fazit

Die Studie zu Dual‑State‑Quantenpunkten zeigt, wie eine Zusammenarbeit führender wissenschaftlicher Institutionen dazu beitragen kann, einige der fortschrittlichsten Probleme der Welt zu lösen. Quantencomputing wird die Zukunft in vielerlei Hinsicht neu gestalten, und diese Ingenieure haben ihren Teil dazu beigetragen, dass diese Geräte neue Leistungsstufen erreichen. Aus diesen und vielen weiteren Gründen verdienen diese Wissenschaftler einen Applaus.

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Referenzen:

^{1. Karli, Y., Avila Arenas, I., Schimpf, C. et al. Passive demultiplexed two-photon state generation from a quantum dot. npj Quantum Inf 11, 139 (2025). https://doi.org/10.1038/s41534-025-01083-0}