Mit maßgeschneidertem Licht zum Quantencomputer

Im Labor von Armando Rastelli in Linz werden feinste Strukturen auf Halbleiterbasis realisiert, um die Eigenschaften des Materials möglichst genau steuern zu können. “Die Strukturen haben eine ähnliche Größe wie Transistoren, die auf modernen Computerchips zu finden sind, sie messen zwischen fünf und zwanzig Nanometer. Der Herstellungsprozess funktioniert ebenfalls ähnlich. Wenn es um die optischen Eigenschaften geht, ist die Lithografie aber tückisch, weil selbst kleinste Defekte zu Fehlern führen können”, sagt Rastelli. Deshalb werden die Halbleiternanostrukturen zum Teil in einem Bottom-up-Verfahren hergestellt. Dabei werden nur makroskopische Parameter festgelegt, die Strukturen wachsen dann selbstständig. “Dabei gibt es Fluktuationen bei Größe und Struktur. Eine Ideallösung für die Herstellung perfekter Strukturen ist heute noch nicht in Sicht”, sagt Rastelli.

Mit den Nanostrukturen, die im Labor entstehen, können Photonen mit der jeweils gewünschten Energie erzeugt werden. Die Lichtausbeute ist dabei allerdings relativ gering. Das Material, das hauptsächlich zum Einsatz kommt, ist Gallium-Arsenid. Das wird im Alltag etwa auch für die Infrarotdioden in Fernbedienungen eingesetzt. “Wir integrieren die Halbleiter auf piezoelektrischen Substraten und können dann über das Anlegen von elektrischer Spannung die Strukturen verformen. Dadurch lassen sich die optischen und elektronischen Eigenschaften präzis verändern. Das funktioniert sehr effektiv. Wir können etwa die Farbe des emittierten Lichts sehr genau steuern”, sagt Rastelli. Der Halbleiter wird mit einem Laser angeregt, um die gewünschten Photonen zu bekommen. “Teilweise treiben wir die Photonenquellen auch elektrisch an, aber mit Laserlicht funktioniert es besser”, erklärt der Physiker, der heuer zum Mitglied der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) gewählt wurde.

Infrarot

“Wir arbeiten derzeit hauptsächlich im Nahinfrarotbereich, bei etwa 780 Nanometer Wellenlänge. Diese Photonen können die Atmosphäre gut durchdringen, eignen sich also für die Kommunikation via Satellit. Für Glasfaserkabel ist das aber nicht optimal. Unser Ziel ist eine Wellenlänge von etwa 1,55 Mikrometer, das funktioniert dann durch die Atmosphäre und Glasfasern relativ gut”, erklärt Rastelli.

Derzeit lassen sich maximal zwei Photonenquellen auf einem Halbleiter realisieren. Die Forscher/innen arbeiten auch daran, einen Kompromiss zwischen elektrischer und optischer Anregung zu finden.

Dafür müssen aber die Detektoren für die Empfänger der Photonen noch besser werden. Siliziumbasierte Geräte funktionieren besser bei geringeren Wellenlängen. Für langwelligeres Licht müssen Supraleiter genutzt werden, die allerdings eine Kühlung auf sehr tiefe Temperaturen erfordern. “Wir müssen unsere Quellen auch auf vier bis sechs Kelvin kühlen. Hier tut sich derzeit aber viel in der Technik”, sagt Rastelli. Wenn die Photonenquellen angeregt werden, entstehen verschränkte Photonenpaare, die sich zu Quantenkommunikation nutzen lassen. Das funktioniert derzeit mit einer Effizienz von etwa 60 Prozent. “In 40 Prozent der Fälle entsteht bei der Anregung mit einem Laserpuls nur ein oder gar kein Photon. Andere Forschungsgruppen arbeiten auch daran, mehr verschränkte Photonen herzustellen, sogenannte Clusterstates, etwa mit zehn verschränkten Lichtteilchen”, erklärt Rastelli. Die Verschränkung funktioniert hauptsächlich über die Polarisation der Photonen, wobei weitere Freiheitsgrade noch in Frage kommen können.

Quantencomputer

In Kürze wollen die Forscher/innen aus Linz zeigen, dass ihre Photonenquellen gut genug funktionieren, um einen Schlüsselaustausch für sichere Kommunikation vorzunehmen. Das hat vorher noch nie jemand mit verschränkten Photonen von Quellen auf Halbleiterbasis geschafft. Wenn Alice sicher mit Bob kommunizieren will, wird ein verschränktes Photonenpaar erzeugt. Dann geht ein Photon an Alice und eines an Bob. Beide müssen sich nach der Messung auf die jeweilig benutzte Messbasis festlegen, also zum Beispiel vertikal/horizontal. Dann kann der Schlüssel über die vertikal beziehungsweise polarisierten Photonen als 1 oder 0 übermittelt werden. Ein Abhören ist nicht möglich, weil dadurch die Verschränkung zerstört würde. Regelmäßige Checks der Verschränkung erlauben es Alice und Bob sofort auf Abhörversuche zu reagieren. Für absolut sichere Kommunikation sollte der Schlüssel immer so lang sein wie die Nachricht selbst. “Unsere Quellen arbeiten auf Zeitskalen von etwa 60 Pikosekunden. Die Frequenz liegt bei fünf Gigahertz, damit könnten wir zeitnah bei Einrechnung der Verluste etwa zwei Gigabit pro Sekunde auf kurzen Distanzen schaffen. Das reicht gut, um komplett verschlüsselte Emails zu übertragen”, sagt Rastelli.

In Kürze wollen die Forscher/innen aus Linz zeigen, dass ihre Photonenquellen gut genug funktionieren, um einen Schlüsselaustausch für sichere Kommunikation vorzunehmen.

Die Distanz ist ebenfalls begrenzt, weil Verluste während der Übertragung der Photonenpaare unvermeidlich sind. “Bei einer Wellenlänge von 1,55 Mikrometer wären hundert Kilometer durch Glasfasern realistisch. Für alles darüber hinaus wären Repeater nötig, die wir heute aber noch nicht haben”, sagt der Physiker. Mit den Halbleitern aus Linz lässt sich aber nicht nur sicher kommunizieren. Auch die Realisierung eines Quantencomputers wäre möglich. “Wenn künftige Quantencomputer tatsächlich Photonen nutzen werden, dann sind Halbleiter ein guter Kandidat. Es gab bereits einen Machbarkeitsbeweis von Kollegen”, sagt Rastelli. Dieser Ansatz könnte auch in Österreich weiter verfolgt werden. Rastelli und sein Team haben derzeit einen Antrag auf ein gemeinsames Forschungsprojekt mit Kolleg/innen aus Wien und Innsbruck laufen, das der Rahmen für die Entwicklung eines solchen Quantencomputers sein könnte.