Toward triggered generation of indistinguishable single-photons from MoTe$_2$ quantum emitters

Die Zukunft der hochsicheren Kommunikation und des leistungsstarken Rechnens beruht auf einer ganz speziellen Art von Licht: einzelnen Photonen. Dies sind einzelne Lichtteilchen, die Informationen ohne das Rauschen und die Interferenzen tragen können, die herkömmliche Signale beeinträchtigen. Damit diese Systeme über lange Distanzen funktionieren, müssen die Photonen ununterscheidbar sein, was bedeutet, dass sie in jeder Hinsicht identisch sind, wie zwei Münzen, die aus exakt derselben Form im exakt selben Moment geprägt wurden. Wenn sie sich auch nur geringfügig unterscheiden, bricht die empfindliche Quantenwirkung, die für diese Technologien benötigt wird, zusammen. Während Wissenschaftler Wege gefunden haben, diese einzelnen Photonen zu erzeugen, hat sich die Erzeugung bei den Wellenlängen, die in globalen Telekommunikationsnetzen verwendet werden, als schwierig erwiesen. Die meisten existierenden Quellen arbeiten bei sichtbaren Lichtfrequenzen, die in Glasfaserkabeln schnell absorbiert werden, was sie für Langstreckenfahrten ungeeignet macht. Forscher haben nach einem Material gesucht, das diese perfekten, identischen Photonen bei den im Internet verwendeten Nahinfrarot-Wellenlängen erzeugen kann, aber die Suche nach einer Quelle, die sowohl zuverlässig als auch qualitativ hochwertig ist, blieb eine bedeutende Hürde.

Ein Team von Forschern der Technischen Universität Dänemark hat nun einen neuen Weg demonstriert, diese schwer fassbaren Lichtteilchen unter Verwendung eines Materials namens Molybdänditellurid zu erzeugen. Dieses Material ist ein zweidimensionales Kristall, was bedeutet, dass es nur wenige Atome dick ist, und es emittiert natürlicherweise Licht im Nahinfrarotbereich, der den für die Telekommunikation verwendeten Wellenlängen viel näher kommt als andere Materialien. Die Herausforderung bestand darin, dass dieses Material zwar Licht emittieren kann, die von ihm erzeugten Photonen jedoch typischerweise „unordentlich“ waren, mit variierenden Farben und Zeitabständen, was sie für fortgeschrittene Quantenaufgaben unbrauchbar macht. Die Forscher setzten sich zum Ziel, dies zu beheben, indem sie eine kontrollierte Umgebung schufen, in der sie das Material dazu zwingen konnten, auf Abruf perfekte, identische Photonen zu emittieren.

Um dies zu erreichen, baute das Team eine spezialisierte Bühne für ihre Kristalle. Sie begannen mit einer spiegelähnlichen Oberfläche, die darauf ausgelegt war, Licht hin und her zu reflektieren, um die Menge des gesammelten Lichts zu maximieren. Darauf platzierten sie winzige, sternförmige Säulen aus einem harten Harz. Als sie eine dünne Flocke des Molybdänditellurids auf diese Säulen übertrugen, verbog und faltete sich das Material natürlich um die scharfen Spitzen. Diese Falten erzeugten Bereiche intensiver physikalischer Spannung innerhalb des Kristalls. Die Forscher nutzten dann einen fokussierten Elektronenstrahl, um winzige, spezifische Defekte in diesen Spannungsbereichen zu erzeugen. Diese Kombination aus physikalischer Spannung und atomarer Beschädigung wirkte wie eine Falle, die die Energie innerhalb des Kristalls auf einen winzigen Punkt konzentrierte, an dem sie ein einzelnes Photon freisetzen konnte.

Die Ergebnisse stellten eine signifikante Verbesserung gegenüber bisherigen Versuchen mit diesem Material dar. Das Team fand heraus, dass diese manipulierten Emitter Licht in einem sehr spezifischen Wellenlängenbereich zwischen 1090 und 1200 Nanometern erzeugten, was im Nahinfrarot-Spektrum liegt. Das emittierte Licht war stark polarisiert, was bedeutet, dass die Lichtwellen in eine einzige, konsistente Richtung schwingen – ein Zeichen für eine gut kontrollierte Quelle. Am wichtigsten war, dass die Photonen sehr schnell emittiert wurden, mit einer Lebensdauer von nur 130 bis 450 Pikosekunden, was einer Billionstelsekunde entspricht. Diese Geschwindigkeit ist entscheidend, da sie die Zeit reduziert, in der das Photon mit seiner Umgebung interagieren und „unordentlich“ werden kann.

Um zu beweisen, dass dies wirklich einzelne Photonen und nicht nur schwaches Licht waren, maßen die Forscher, wie sich die Photonen verhielten, wenn sie an einem Detektor eintrafen. Sie fanden heraus, dass die Photonen nacheinander eintrafen, mit einer sehr geringen Wahrscheinlichkeit, dass zwei gleichzeitig ankommen. Durch die sorgfältige Abstimmung der Art und Weise, wie das Material mit einem Laser angeregt wurde, konnten sie das Hintergrundrauschen auf fast Null reduzieren, was zu einem Reinheitsgrad führte, bei dem die Chance auf ein zweites Photon weniger als eins Prozent betrug. Sie entdeckten auch, dass sie durch das Anlegen einer kleinen elektrischen Spannung an das Bauteil die Farbe des emittierten Lichts um einen kleinen, aber nützlichen Betrag verschieben konnten. Diese Abstimmfähigkeit ist essenziell, um die Farben verschiedener Emitter aufeinander abzustimmen, damit sie in einem größeren Netzwerk zusammenarbeiten können.

Der kritischste Test für diese Quellen war zu sehen, ob die Photonen ununterscheidbar waren. Die Forscher richteten ein Experiment ein, bei dem zwei Photonen aus der Quelle an einen Strahlteiler geschickt wurden, um aufeinanderzutreffen. Wenn die Photonen identisch sind, interferieren sie auf eine spezifische Weise miteinander, was dazu führt, dass sie gemeinsam statt getrennt austreten. Das Team beobachtete diese Interferenz und bestätigte damit, dass die Photonen tatsächlich ununterscheidbar waren. Obwohl der Effekt nicht perfekt war, war er der stärkste, der jemals für diesen Typ von Material gemessen wurde. Durch das Filtern der Daten, um nur die saubersten Momente zu betrachten, erreichten sie ein Maß an Ununterscheidbarkeit, das mit Molybdänditellurid zuvor noch nie erreicht worden war.

Diese Arbeit markiert einen Wendepunkt für die Nutzung zweidimensionaler Kristalle in der Quantentechnologie. Sie zeigt, dass man durch die Kombination von physikalischer Spannung, präziser Defekterzeugung und elektrischer Kontrolle ein schwieriges Material in eine zuverlässige Quelle für einzelne Photonen verwandeln kann. Die Fähigkeit, die Emission abzustimmen und eine hohe Reinheit zu erreichen, deutet darauf hin, dass diese Quellen schließlich in die bestehenden Glasfasernetze, die das Internet antreiben, integriert werden könnten. Während die aktuellen Geräte noch nicht die exakten Wellenlängen erreichen, die für die Langstrecken-Telekommunikation verwendet werden, ist der Weg nach vorne klar. Durch die Anpassung der Materialdicke und die Verfeinerung des Herstellungsprozesses könnten diese Emitter bald zu einer Standardkomponente in der nächsten Generation von Quantenkommunikationssystemen werden und das Versprechen unhackbarer Netzwerke und leistungsstarker Quantencomputer näher in die Realität rücken.