Integrated on-chip quantum light sources on a van der Waals platform

Der Traum vom Bau eines Quantencomputers, der Probleme lösen kann, die außerhalb der Reichweite heutiger Maschinen liegen, hängt oft an einer einzigen, hartnäckigen Herausforderung: wie man winzige Lichtteilchen, sogenannte Photonen, dazu bringt, auf einem einzigen, winzigen Chip miteinander zu kommunizieren. In der Welt der Quanteninformation fungieren diese Photonen als Boten, die empfindliche Daten über Schaltkreise transportieren. Um dies in großem Maßstab zu ermöglichen, benötigen Wissenschaftler eine Plattform, auf der die Lichtquellen, die die Photonen erzeugen, die Kanäle, die sie leiten, und die Detektoren, die sie auffangen, alle aus kompatiblen Materialien bestehen und an einem Ort gemeinsam gebaut sind. Jahrelang haben Forscher versucht, diese Teile unter Verwendung verschiedener Materialien zusammenzusetzen, wie etwa Silizium für die Kanäle und spezielle Halbleiter für die Lichtquellen, aber das Zusammenführen dieser unterschiedlichen Materialien ist wie der Versuch, Glas an Gummi zu kleben; der Prozess ist fragil, komplex und schwer skalierbar. Ein vielversprechenderer Weg liegt in der Verwendung einer Materialfamilie, die als Van-der-Waals-Materialien bekannt ist. Diese bestehen aus atomar dünnen Schichten, die wie Lego-Steine gestapelt werden können, ohne dass eine harte chemische Bindung erforderlich ist, was einen saubereren Weg zum Bau dieser integrierten Schaltkreise bietet.

In einer neuen Studie haben Forscher der Technischen Universität Dänemark einen bedeutenden Schritt in Richtung dieses Ziels unternommen, indem sie erfolgreich eine funktionierende Quantenlichtquelle vollständig aus diesen dünnen, stapelbaren Materialien gebaut haben. Sie erzeugten ein Bauteil, bei dem eine spezifische Art von atomar dünnem Kristall aus Wolframdiselenid als Fabrik für Einzelphotonen dient. Dieser Kristall wurde direkt auf einen Wellenleiter platziert, einen mikroskopischen Kanal aus einem anderen Kristall namens Wolframdisulfid, der darauf ausgelegt ist, das Licht einzufangen und entlang eines Pfades zu leiten. Um das Licht aus diesem winzigen Kanal in ein Messinstrument zu leiten, ritzten sie eine Reihe winziger, konzentrischer Ringe in den Kanal, die wie ein Gitter wirken, das das Licht nach oben streut. Das Ergebnis ist ein vollständig integriertes System, in dem das Licht erzeugt, geleitet und vollständig auf einem einzigen Chip aus diesen zweidimensionalen Materialien generiert und extrahiert wird.

Die Forscher konzentrierten sich auf einen speziellen Trick, um die Lichtquelle heller und sauberer zu machen. Anstatt den Kristall mit einem breiten Spektrum aus Licht zu beschießen, verwendeten sie einen sehr präzisen Laser, der auf ein spezifisches Energieniveau abgestimmt war, das knapp unter dem Punkt liegt, an dem das Material normalerweise Licht absorbieren würde. Diese Methode, bekannt als diskrete Zustandsanregung (discrete-state excitation), ermöglichte es ihnen, die Emission von Einzelphotonen auszulösen und gleichzeitig das verrauschte Hintergrundleuchten zu vermeiden, das bei anderen Methoden üblich ist. Als sie das aus dem Bauteil austretende Licht testeten, stellten sie fest, dass es unglaublich rein war. In der Welt der Quantenphysik wird Reinheit dadurch gemessen, wie oft ein Detektor zwei Photonen zur exakt gleichen Zeit registriert; für eine echte Einzelphotonenquelle sollte dies fast nie passieren. Das Team maß diesen Wert als extrem nah an Null, was darauf hindeutet, dass das Gerät erfolgreich einzelne Photonen mit sehr hoher Zuverlässigkeit aussendet.

Um zu beweisen, dass das Licht tatsächlich durch den Wellenleiter reiste und nicht einfach nur zufällig herausleckte, bauten die Forscher einen cleveren Test auf. Sie sammelten das Licht von beiden Enden des mikroskopischen Kanals gleichzeitig ein. Durch den Vergleich der eintreffenden Photonenströme an jedem Ende konnten sie bestätigen, dass das Licht effizient durch den Chip geleitet wurde. Diese Messung auf beiden Seiten zeigte, dass die Photonen zwischen den beiden Enden des Kanals aufgeteilt wurden und eine signifikante Anzahl der Photonen die Detektoren erreichte. Sie berechneten, dass das Gerät in der Lage war, hunderttausende Einzelphotonen pro Sekunde auszusenden – eine Rate, die, wenn man die Verluste im System berücksichtigt, darauf hindeutet, dass die Quelle im Inneren des Wellenleiters Millionen von Photonen pro Sekunde erzeugt. Dieses Maß an Helligkeit und Effizienz stellt eine große Verbesserung gegenüber früheren Versuchen mit ähnlichen Materialien dar.

Ein wesentlicher Teil ihres Erfolgs war die Art und Weise, wie sie die Materialien stapelten. Sie platzierten eine dünne Schicht eines Materials namens hexagonalem Bornitrid zwischen die Lichtquelle und den Wellenleiter. Diese Schicht diente als schützender Abstandshalter, der verhinderte, dass der empfindliche lichtemittierende Kristall beim Auflegen auf den Wellenleiter Risse bekam, während sie gleichzeitig eine effiziente Einkopplung des Lichts in den Kanal ermöglichte. Ohnt diese Abstandsschicht neigten die Kristalle dazu zu brechen, was das Bauteil unbrauchbar gemacht hätte. Das Team entdeckte zudem, dass das austretende Licht hochgradig polarisiert war, was bedeutet, dass die Lichtwellen in eine spezifische Richtung schwingen – ein nützliches Merkmal, um die Steuerung des Lichts in zukünftigen Schaltkreisen zu ermöglichen.

Die Studie behauptet nicht, alle Probleme des Quantencomputings gelöst zu haben, aber sie zeigt, dass eine vollständige, funktionierende Quantenlichtquelle ausschließlich aus diesen vielseitigen, dünnen Materialien gebaut werden kann. Die Forscher zeigten, dass sie durch die sorgfältige Konstruktion der Schichten und der Form des Wellenleiters die üblichen Schwierigkeiten überwinden konnten, das Licht von einer Quelle in einen Kanal zu bewegen. Sie schlossen auch die Möglichkeit aus, dass das Licht lediglich von der Oberfläche gestreut wurde; die Messungen bestätigten, dass die Photonen durch die Wellenleitermoden reisten. Obwohl das aktuelle Gerät ein Prototyp ist, deuten die Ergebnisse auf einen klaren Weg hin. Durch das Hinzufügen weiterer Komponenten, wie etwa Detektoren und Filter aus derselben Materialfamilie, könnten Wissenschaftler schließlich komplexe Quantenschaltkreise bauen, die einfacher herzustellen und zuverlässiger als aktuelle Hybridsysteme sind. Diese Arbeit etabliert die Van-der-Waals-Plattform als eine lebensfähige und leistungsstarke Grundlage für die nächste Generation der Quantentechnologien.