Few-Spin-QD-Nanostrukturen für messbasierte Quanten-Repeater Links

Abstract

Halbleiter-Quantenpunkte (QDs) können als hochwertige Quellen für nicht-klassisches Licht im nahen Infrarot sowie im 1,55 μm-Telekommunikations-C-Band dienen, das mit Glasfasernetzen kompatibel ist. Das übergeordnete Ziel des QRX-Konsortiums war die Entwicklung modularer Halbleiterkomponenten, die es ermöglichen, Stationen im Labormaßstab miteinander zu verbinden – konkret eine Quantum-Repeater-(QR)-Zelle mit zwei QR-Segmenten. Da QDs, die bei etwa 900 nm emittieren, derzeit die beste Leistung zeigen, bestand das ursprüngliche Ziel darin, Komponenten zu entwickeln, die im nahen Infrarot (NIR) emittieren, um ein Machbarkeits-Experiment mit einem der beiden Quantenrepeater-Protokolle Node Sends Photons (NSP) oder Node Receives Photons (NRP) zu ermöglichen. Dieses Teilprojekt arbeitete im Rahmen des QRX-Konsortiums und konzentrierte sich auf die Entwicklung neuartiger Quellen für Quantenlicht, basierend auf einzelnen Paaren kohärent (durch Tunnelkopplung) verbundener Quantenpunkte, sogenannter Quantenpunkt-Moleküle (QDMs). Solche QDM-Quellen sind dafür ausgelegt, als leistungsstarke QR-Zellen eingesetzt zu werden, die verschränkte Photonpaare und 2D-photonische Clusterzustände mit hohen Raten (>50 MHz) erzeugen können. Zu diesem Zweck wurden die QDMs in Einzelmolekül- Bauelemente integriert, die stabile und elektrisch abstimmbare Singulett-Triplet-(S-T)-Qubits beherbergen können. Solche Zwei-Spinsysteme wurden theoretisch als weniger empfindlich gegenüber Kernspin- und elektrischen Feldrauschen prognostiziert – ein häufiges Problem in III-V-Halbleitern – und zeigen daher deutlich längere Quantenkohärenzzeiten (T₂ ≥ 10 μs) sowie den Betrieb ohne externe Magnetfelder. Im Mittelpunkt der experimentellen Arbeiten standen S-T-Qubits in einzelnen QDMBauelementen, die entweder mit zwei Löchern oder zwei Elektronen besetzt waren. Diese beiden Spins konnten innerhalb von weniger als 100 ps optisch präpariert und anschließend auf die beiden Quantenpunkte des Moleküls aufgeteilt werden. Ortsselektive photonische Strukturierung wurde eingesetzt, um die Effizienz der Spin-Photonen-Kopplung auf über ~20 % zu steigern – über ein ausreichend breites Spektralband (~6 nm), das vollständig mit dem QRProtokoll kompatibel ist. In einem nächsten Schritt, der nun im Rahmen des QRN-Projekts (FKZ 16KIS2197) verfolgt wird, sollen die verschränkten S-T-Spin-Zustände verwendet werden, um Verschränkung zwischen Photonen zu erzeugen, die von den beiden Quantenpunkten des Moleküls emittiert werden. In diesem Zusammenhang wird das Konsortium eine QR-Zelle mit zwei QR-Segmenten, die an der Universität Würzburg (UWÜ) entwickelt wurden, kombinieren, um einen Labor-Demonstrator einer QR-Verbindung bei ca. 900 nm umzusetzen – unter Verwendung der von der TU München (TUM) entwickelten QDMQuellen und der von UWÜ entwickelten Hochraten-Einzelphotonenquellen (>100 MHz).