Verbundprojekt: Quantenrepeater.Link - QR.X; Teilvorhaben: Entwicklung von halbleiterbasierten Bausteinen für Quantenrepeater und deren Einsatz in Demonstrationsexperimenten

Abstract

Das Verbundprojekt "QR.X – Quantenrepeater.Link" verfolgte das Ziel, eine fortgeschrittene Quantenrepeater-Technologie als Grundlage zukünftiger Quantennetzwerke in Deutschland zu entwickeln. Aufbauend auf den Ergebnissen des Vorgängerprojekts Q.Link.X sollten leistungsfähige Quantenknoten, geeignete Kommunikationsprotokolle und Teststrecken in realen Glasfasernetzen entwickelt und zu ersten elementaren Quantenrepeater-Verbindungen integriert werden. Langfristig soll dadurch die Verteilung von Quantenverschränkung über große Distanzen ermöglicht werden, um sichere Ende-zu-Ende-Kommunikation ohne vertrauenswürdige Zwischenknoten sowie weiterführende Anwendungen wie verteiltes Quantenrechnen und Quantensensornetzwerke zu realisieren. Halbleiter-Quantenpunkte stellen dabei eine vielversprechende Plattform für zukünftige Quantenrepeater dar, da sie sowohl als effiziente Einzelphotonenquellen als auch für Spin-Photon-Wechselwirkungen und damit am Ende zur Erzeugung verschränkter Photonenzustände genutzt werden können. Damit gelten sie als vielversprechende Technologie sowohl für speicherbasierte Quantenrepeater als auch für zukünftige Quantenrepeater der dritten Generation auf Basis photonischer Cluster- und Repeater-Graph-Zustände. Insbesondere auf der etablierten 900-nm-Plattform waren zu Projektbeginn bereits wesentliche Grundlagen demonstriert worden, darunter die kohärente Kontrolle einzelner Spins, Spin-Photon-Verschränkung sowie die Erzeugung hochgradig ununterscheidbarer Einzelphotonen. Gleichzeitig bestand erheblicher Entwicklungsbedarf hinsichtlich der Steigerung von Photonenauskoppeleffizienz, Spinkohärenzzeiten und Bauteilskalierbarkeit. Darüber hinaus rückten Quantenpunkte bei 1,55 µm zunehmend in den Fokus, da sie direkt im Telekommunikations-C-Band emittieren und damit optimal für die Übertragung in bestehenden Glasfasernetzen geeignet sind. Die Universität Würzburg konnte dabei auf langjährige Vorarbeiten zur deterministischen Integration von Quantenpunkten in Mikroresonatoren, zur Realisierung effizienter Einzelphotonenquellen sowie zur kohärenten Kontrolle und Verschränkung von Spinzuständen aufbauen. Ziel des Vorhabens war es, diese etablierten Konzepte von der 900-nm-Plattform auf Quantenpunkte bei 1,55 µm zu übertragen und gleichzeitig die zugrunde liegenden Bauteile und Prozesse weiterzuentwickeln. Geplant waren die Entwicklung neuartiger Resonatorstrukturen zur Effizienzsteigerung sowie die Demonstration von Spin-Photon-Verschränkung und photonischen Clusterzuständen im Telekom C-Band. Bei 900 nm sollte eine Quantenrepeater-Strecke mit zwei QR-Segmenten auf Basis des Node-Receives-Photon-Protokolls realisiert werden und außerdem die Entwicklung von Verfahren zur aktiven Stabilisierung der Photonenquellen verfolgt werden. Im Rahmen des Vorhabens wurden wesentliche Bausteine für halbleiterbasierte Quantenrepeater auf Basis von Quantenpunkten weiterentwickelt. Ein Schwerpunkt lag auf der verbesserten Integration von Quantenpunkten in die untersuchten photonischen Bullseye-Resonatoren und deren Design, um die Effizienz der Photonenerzeugung und die elektrische Kontrolle der Systeme zu erhöhen. Hierfür wurden neue Proben- und Bauteildesigns entwickelt, Herstellungsprozesse optimiert sowie Verfahren zur hochpräzisen Positionierung von Resonatoren um einzelne Quantenpunkte etabliert. Ein weiterer Fokus lag auf der Verbesserung der Eigenschaften der Quantenlichtquellen für Anwendungen in Quantennetzwerken. Dazu wurden Konzepte zur aktiven Stabilisierung der Emissionswellenlänge entwickelt, um die langfristige Ununterscheidbarkeit von Photonen aus unterschiedlichen Quellen sicherzustellen. Darüber hinaus wurden Quantenpunkte im Telekommunikationswellenlängenbereich bei 1,55 µm untersucht, geeignete Anregungsschemata für die kontrollierte Erzeugung verschränkter Zustände entwickelt und experimentelle Methoden zur Charakterisierung von Mehrphotonenverschränkung aufgebaut. Durch die Optimierung des Imaging-Verfahrens konnte die Positioniergenauigkeit von Quantenpunkten in Bullseye-Resonatoren um mindestens eine Größenordnung verbessert werden. Des Weiteren konnten die entwickelten Resonator-Designs zur elektrischen Kontaktierung erfolgreich getestet werden. Damit wurden die Voraussetzungen für deterministisch platzierte, elektrisch adressierbare Quantenpunkt-Bauelemente mit hoher optischer Qualität geschaffen. Im Bereich der aktiven Wellenlängenstabilisierung wurde in Zusammenarbeit mit der HighFinesse GmbH und der TU Berlin ein interferometrisches Referenzsystem mit PID-Regelung realisiert, das eine aktive Stabilisierung der Quantenpunktemission über Zeiträume von mindestens 30 Minuten ermöglichte. Dies stellt eine wichtige Voraussetzung für Zwei-Photonen-Interferenzexperimente und Bell-State-Messungen mit unabhängigen Quellen dar. Im Bereich photonischer Clusterzustände konnten geeignete Anregungsschemata für Quantenpunkte im Telekom-C-Band identifiziert und die kontrollierte Initialisierung definierter Quantenzustände nachgewiesen werden. Zudem wurde ein Tomographie-System zur vollständigen Charakterisierung verschränkter Photonen aufgebaut und erfolgreich validiert. Auf dieser Basis konnten wir durch die zuvor entwickelten experimentellen Methoden erstmals fundamentale Messungen an verschränkten Photonenpaaren im Telekommunikations-C-Band durchführen und dabei einen hohen Grad an Verschränkung nachweisen. Damit ist gezeigt, dass die präzise Analyse auch komplexerer Zustände im gleichen Wellenlängenbereich grundsätzlich erreichbar ist und damit eine wichtige Grundlage für weiterführende photonische Quantenrepeater-Konzepte geschaffen wurde.