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Quantentechnologie TU Berlin macht's vor – Quantenchips gezielt statt zufällig fertigen

Von Paula Breukel 2 min Lesedauer

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Forschende der TU Berlin haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Quantenlichtquellen erstmals präzise und wiederholbar auf einem Chip platzieren lassen. Damit rückt die industrielle Serienfertigung optischer Quantenchips näher.

Stephan Reitzenstein vor der Probenkammer der Elektronenstrahl-Lithographie-Anlage: Diese Anlage stellt die hochpräzise Nanostrukturen für skalierbare Quantenlichtquellen her.(Bild: Felix Noak)
Stephan Reitzenstein vor der Probenkammer der Elektronenstrahl-Lithographie-Anlage: Diese Anlage stellt die hochpräzise Nanostrukturen für skalierbare Quantenlichtquellen her.
(Bild: Felix Noak)

Ein Team um Stephan Reitzenstein an der Technischen Universität (TU) Berlin hat gemeinsam mit der Universität Oldenburg eine neue Chip-Architektur vorgestellt. Im Mittelpunkt stehen sogenannte Quantenpunkte, winzige Halbleiterstrukturen, die einzelne Lichtteilchen (Photonen) erzeugen.

Bislang entstanden diese Quantenpunkte beim Wachstum zufällig auf dem Material. Wer einen Chip mit vielen gleichwertigen Lichtquellen bauen wollte, musste die Punkte zunächst aufwendig suchen. Die Berliner Forschenden haben nun einen Weg gefunden, die Position der Quantenpunkte schon während des Kristallwachstums festzulegen.

Was steckt technologisch dahinter?

Möglich macht das eine spezielle Schicht im Chip, die die Forschenden „Stressor“ nennen. Sie erzeugt gezielt Spannungen im Material, sodass die Quantenpunkte genau dort wachsen, wo sie später gebraucht werden.

Anschließend integriert das Team die Quantenpunkte direkt in ringförmige Resonatoren, die das erzeugte Licht effizient einsammeln. Der gesamte Prozess kommt ohne aufwendige Vorab-Lokalisierung der Quantenpunkte aus und lässt sich mit Standard-Lithografie umsetzen.

Welche Ergebnisse liefert der Chip?

Mit dem Verfahren stellte das Team ein Raster aus 36 Quantenlichtquellen her, alle funktionsfähig. Beim besten Bauelement gelang es, fast die Hälfte der erzeugten Lichtteilchen aus dem Chip auszukoppeln.

Die quantenmechanische Reinheit der einzelnen Lichtteilchen lag bei über 99 Prozent, und die erzeugten Photonen zeigten nahezu identische Eigenschaften. Beides ist wichtig, wenn später viele Lichtteilchen exakt gleich miteinander wechselwirken müssen, etwa in einem Quantennetzwerk.

Für wen ist das interessant...

Optische Quantenchips gelten als Schlüsselbausteine für abhörsichere Quantenkommunikation, Quantennetzwerke, Quantensensorik und photonische Quantencomputer.

Das Verfahren richtet sich damit an Forschung und Industrie, die den Sprung von einzelnen Labor-Demonstratoren zu skalierbaren, technisch nutzbaren Plattformen schaffen wollen.

...und was sind die nächsten Schritte?

Die Forschenden haben zusätzlich untersucht, wie sich kleinste Abweichungen bei der Positionierung der Quantenpunkte auf die Leistung der Bauelemente auswirken, kombiniert mit Simulationen der Arbeitsgruppe von Christopher Gies in Oldenburg.

Die daraus gewonnenen Erkenntnisse sollen als Richtlinien für die nächste Generation von Quantenchips dienen. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift „Light: Science and Applications“ veröffentlicht.

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