Asymmetric two-photon response of an incoherently driven quantum emitter

Auf der Suche nach dem Aufbau eines Quanteninternets oder eines Quantencomputers verlassen sich Wissenschaftler auf eine ganz spezielle Art von Licht: einen Strom einzelner Teilchen namens Photonen, die nacheinander ausgesendet werden. Damit diese Maschinen funktionieren, muss die Quelle dieses Lichts unglaublich präzise sein und exakt ein Photon zur Zeit mit nahezu perfekter Zuverlässigkeit aussenden. Wenn eine Quelle versehentlich zwei Photonen zusammen aussendet, können die empfindlichen Berechnungen eines Quantencomputers fehlschlagen oder die Sicherheit einer Quantennachricht gebrochen werden. Die vielversprechendsten Werkzeuge zur Erzeugung dieses perfekten Stroms sind Quantenpunkte, winzige, künstliche Atome aus Halbleitermaterialien. Wenn sie mit einem Laserpuls getroffen werden, sollen diese Punkte die Energie absorbieren und sofort ein einzelnes Photon freisetzen. Doch die Natur ist selten so einfach. Selbst in einem perfekten Aufbau ist der Laserpuls lang genug, dass der Punkt die Energie absorbieren, ein Photon freisetzen und dann durch denselben Puls erneut angeregt werden kann, bevor dieser abgeschlossen ist. Diese „Re-Exzitation“ führt dazu, dass ein zweites Photon emittiert wird, was die Reinheit des Einzelphotonenstroms ruiniert.

Jahrelang haben Forscher dieses Problem mittels resonanter Anregung untersucht, bei der der Laser exakt auf die natürliche Frequenz des Punktes abgestimmt ist. Doch ein anderer, robusterer Ansatz ist entstanden: die Verwendung eines Lasers, der leicht verstimmt ist und sich auf die Schwingungen innerhalb des Materials, bekannt als Phononen, verlässt, um dem Punkt beim Absorbierten der Energie zu helfen. Diese phonon-assistierte Methode wird geschätzt, weil sie weniger empfindlich gegenüber Laserimperfektionen ist und es einfacher macht, das störende Streulicht des Lasers herauszufiltern. Doch bis jetzt wusste niemand genau, wie sich das Re-Exzitationsproblem unter diesen spezifischen Bedingungen verhält. Ein Team von Physikern hat diesen Prozess nun im Detail kartiert und aufgezeigt, dass die beiden durch einen einzigen Puls erzeugten Photonen nicht bloß identische Zwillinge sind; sie unterscheiden sich grundlegend in ihrer Zeitmessung und Farbe. Durch das Verständnis dieser Unterschiede haben die Forscher einen Weg gefunden, das unerwünschte zweite Photon herauszufiltern und so einen sauberen Strom von Einzelphotonen zu gewährleisten, unabhängig davon, wie lang der Laserpuls ist.

Die Geschichte beginnt mit einem Quantenpunkt, einem winzigen Partikel aus Halbleitermaterial, der so klein ist, dass er Elektronen auf eine Weise einfängt, die einem einzelnen Atom nachempfunden ist. In diesem Experiment verwendeten die Forscher einen Quantenpunkt aus Indiumgalliumarsenid, der in eine Struktur eingebettet war, die dazu dient, Licht effizient zu emittieren. Sie trafen diesen Punkt mit einem kurzen, blau-verstimmten Laserpuls. „Blau-verstimmt“ bedeutet schlichtweg, dass die Farbe des Lasers eine etwas höhere Energie hatte als die natürliche Präferenz des Punktes. Um diese Lücke zu überbrücken, musste der Punkt Energie aus den Schwingungen seines eigenen Kristallgitters – den Phononen – ausleihen. Diese Wechselwirkung ermöglichte es dem Punkt, in einen angeregten Zustand zu springen. Der Prozess gleicht einem zweistufigen Tanz, bei dem der Punkt zuerst ein Photon und eine Vibration greift und sich dann setzt, um ein Photon freizusetzen.

Die Forscher waren daran interessiert, was passiert, wenn der Laserpuls lang genug ist, dass der Punkt angeregt werden kann, ein Photon freisetzt und dann erneut angeregt wird, bevor der Laserpuls endet. Dies ist das Re-Exzitationsereignis. Mit einem hochentwickelten Aufbau, der in der Lage war, die exakte Zeit und Farbe jedes Photons aufzuzeichnen, verfolgten sie diese seltenen Doppel-Emissionsereignisse. Sie fanden heraus, dass die zwei Photonen, die in einem einzigen Re-Exzitationsereignis produziert werden, nicht zur gleichen Zeit oder mit denselben Eigenschaften emittiert werden. Das erste Photon wird emittiert, während der Laserpuls noch mit dem Punkt interagiert. Da der Laser noch vorhanden ist, verändert er die Energieniveaus des Punktes in Echtzeit, ein Phänomen, das als dynamischer Stark-Effekt bekannt ist. Dies bewirkt, dass das erste Photon bei einer etwas anderen Farbe, oder Frequenz, als die natürliche Emission des Punktes emittiert wird. Es wird auch sehr schnell emittiert, wobei es der Form des Laserpulses selbst eng folgt.

Das zweite Photon hingegen erzählt eine andere Geschichte. Es wird erst emittiert, nachdem der Laserpuls vollständig vorbeigezogen ist und der Punkt in seinen natürlichen Zustand zurückgekehrt ist. Folglich besitzt dieses zweite Photon die natürliche Farbe des Punktes und wird über einen längeren Zeitraum emittiert, wobei es der natürlichen Zerfallszeit des angeregten Zustands folgt. Die Forscher maßen diese Unterschiede mit hoher Präzision. Sie beobachteten, dass das erste Photon in seiner Farbe verschoben war, wobei die Verschiebung von der Stärke des Lasers abhing. Durch die Messung dieser Verschiebung konnten sie die Stärke der Wechselwirkung zwischen dem Laser und dem Punkt berechnen – ein Wert, der als Rabi-Frequenz bekannt ist – ohne die komplexen kohärenten Wechselwirkungen zu benötigen, die normalerweise für solche Messungen erforderlich sind. Dies bot ein direktes Fenster in die Physik des inkohärenten Antriebsprozesses.

Die bedeutendste Erkenntnis war jedoch nicht nur die Beobachtung dieser Unterschiede, sondern deren Nutzung. Da das erste Photon (das unerwünschte) eine andere Farbe hat als das zweite Photon (das gewünschte), erkannten die Forscher, dass sie einen einfachen Farbfilter verwenden können, um sie zu trennen. Sie platzierten einen Filter im Pfad des Lichts, der nur die natürliche Farbe passieren ließ. Als sie dies testeten, waren die Ergebnisse beeindruckend. Ohne den Filter stieg die Anzahl der unerwünschten Zwei-Photonen-Ereignisse stetig an, während sie die Laserpulse länger machten. Mit dem Filter im Einsatz blieb die Anzahl dieser Fehler jedoch niedrig und konstant, selbst wenn sich die Pulsdauer änderte. Der Filter blockierte effektiv das erste, verschobene Photon, während er das zweite, reine Photon passieren ließ.

Diese Entdeckung bietet eine praktische Lösung für ein hartnäckiges Problem der Quantentechnologie. Während Wissenschaftler bessere Quantenpunkte mit schnelleren Emissionsraten entwickeln, steigt das Risiko der Re-Exzitation, da der Punkt so schnell zerfällt, dass er wahrscheinlicher durch denselben Puls erneut getroffen wird. Traditionelle Methoden, um dies zu verhindern, wie etwa das Verkürzen der Laserpulse, haben Grenzen. Der neue Ansatz, der die natürliche Farbverschiebung durch den Laser selbst nutzt, ermöglicht hochreine Einzelphotonenquellen, die gegenüber Variationen der Pulsdauer robust sind. Dies bedeutet, dass für Anwendungen in der Quantenkryptographie und im Quantencomputing, bei denen die Reinheit des Lichts von entscheidender Bedeutung ist, das System eine hohe Leistung aufrechterhalten kann, ohne dass die Laserzeit ständig angepasst werden muss. Die Forscher demonstrierten, dass sie durch das bloße Verständnis und Filtern basierend auf der einzigartigen spektralen Signatur des Re-Exzitationsprozesses das Rauschen unterdrücken konnten, das normalerweise diese Quantenquellen begrenzt, und so den Weg für zuverlässigere und skalierbarere Quantentechnologien ebneten.