Einzelphotonen aus Diamant kontrolliert erzeugt

Berliner Forschende demonstrieren eine neue Methode, mit der sich einzelne Photonen in einem diamantbasierten Quantensystem erzeugen lassen. Damit bringen sie die Quantenforschung einen wichtigen Schritt weiter in Richtung Anwendung.

Die kontrollierte Erzeugung einzelner Photonen ist ein Kernelement zahlreicher Anwendungen der Quantentechnologie, etwa in Quantennetzwerken oder beim Quantencomputing. Ein Forschungsteam der Arbeitsgruppe Integrated Quantum Photonics am Institut für Physik der Humboldt-Universität zu Berlin sowie im Joint Lab Diamond Nanophotonics am Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) in Berlin unter der Leitung von Prof. Dr. Tim Schröder hat nun die erfolgreiche Anwendung der neuen Methode SUPER (Swing-UP of the quantum EmitteR population) demonstriert. Das Verfahren erleichtert die kontrollierte Erzeugung von Lichtteilchen (Photonen). Die Ergebnisse der Studie wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Neue SUPER-Methode macht Erzeugung von Photonen effizienter

Im Zentrum der Studie stehen Diamantkristalle mit gezielt eingebrachten Defekten in ihrer Atomstruktur – sogenannte Zinn-Vakanz-Zentren (SnV-Zentren), auch Farbzentren genannt. Diese atomaren Strukturen dienen als stabile Quantenbits (Qubits). Sie können Quanteninformation speichern, verarbeiten und gleichzeitig auf Lichtteilchen übertragen. Eine große Herausforderung für die Quantentechnologie besteht bislang darin, diese Qubits mit Licht zu kontrollieren und zugleich die von den Qubits ausgesendeten Photonen eindeutig als Informationsträger nachzuweisen. Konventionelle Ansätze nutzen dafür häufig komplexe Filtertechniken. Diese verringern jedoch die Effizienz und erschweren es, die Systeme für Anwendungen zu skalieren.

Das Forschungsteam zeigte nun gemeinsam mit Prof. Doris Reiter und Dr. Thomas Bracht von der Technischen Universität Dortmund, dass sich dieses Problem mit der von den Dortmunder Kolleg*innen mitentwickelten neuen Methode SUPER lösen lässt. Bei SUPER regen zwei speziell aufeinander abgestimmte Laserpulse (Kontrolllaser) das Quantensystem an. Dadurch wird es deutlich einfacher, den Kontrolllaser von den einzelnen Photonen – den Trägern der Quanteninformation – zu trennen. Die Forschenden kontrollieren die Qubits mithilfe extrem kurzer Laserpulse. Diese Pulse liegen im Femtosekundenbereich (eine Billiardstel Sekunde) und zählen zu den schnellsten optischen Kontrolloperationen, die bislang für diamantbasierte Quantensysteme demonstriert wurden. 

Ultraschnelle Laserpulse verbessern Kontrolle über den Quantenzustand

„Mit ultraschnellen Pulsen können wir den Quantenzustand auf völlig neuen Zeitskalen kontrollieren. Das eröffnet den Weg zu schnelleren und komplexeren Quantenoperationen auf Basis von Diamant“, sagt Cem Güney Torun, Doktorand am Institut für Physik und einer der beiden Erstautoren der Studie. Mustafa Gökçe, ebenfalls Erstautor und ehemaliger wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Physik, ergänzt: „Unsere Methode ermöglicht es uns, das System effizient anzuregen und gleichzeitig die emittierten Einzelphotonen sauber und nutzbar zu halten. Das ist eine zentrale Voraussetzung für den Aufbau von Netzwerken für die Quantenkommunikation.“

Eine weitere wichtige Erkenntnis: Die SUPER-Methode erhält den internen Quanten-Spinzustand des Systems. Dieser Zustand ist entscheidend, um Quantenverschränkung zwischen entfernten Knoten zu erzeugen – ein weiterer Grundpfeiler zukünftiger Quantenkommunikation.

Kombination von Nano-Fabrikation, ultraschneller Optik und Modellierung machen neue Erkenntnisse möglich

Für die Studie haben die Quantenforscher*innen verschiedene experimentelle Ansätze miteinander kombiniert: die Fabrikation von Diamant-Nanostrukturen mit eingebetteten Zinn-Vakanz-Zentren, ultraschnelle optische Methoden sowie theoretische Modellierung. Dadurch konnte das Team demonstrieren, dass mit SUPER ein neues, leistungsfähiges Werkzeug für die Festkörper-Quantentechnologie zur Verfügung steht. Damit rücken auf Diamant basierende Quantenrepeater und verteilte Quantencomputer einen Schritt näher an ihre praktische Anwendung.

(Quelle: Ferdinand-Braun-Institut gGmbH, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik, 16. März 2025 | “Ultraschnelle Laserpulse bringen diamantbasiertes Quanteninternet der Realität näher")
 

Future is light

Die aktuellen Fortschritte der Berliner Forschung passen nahtlos in das Profil der Airport Region Berlin Brandenburg als führendem Standort für Optik und Photonik. Mit ihrer langen Tradition in der optischen Technologie, einer starken wissenschaftlichen Basis und einer hohen Dichte spezialisierter Unternehmen zählt die Hauptstadtregion zu den führenden europäischen Zentren der Photonik und Mikrosystemtechnik. Die Demonstration effizienter Einzelphotonenquellen auf Diamantbasis unterstreicht dabei die Rolle der Region als Innovationsmotor für Quantentechnologien, die künftig Anwendungen in Kommunikation, Sensorik und Quantencomputing prägen werden.

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Sandra Koletzki ​​​​​​ | sandra.koletzki(at)airport-region.de