Erstmals ist es Physikern der Universität Paderborn gelungen, Schlüsselbausteine der Quantenphotonik auf einen einzelnen Chip zu integrieren. Was jetzt erst einmal nicht besonders spektakulär klingt, ist aber ein großer Meilenstein zur Kommerzialisierung von Quantentechnologie.

Was ist Quantentechnologie?

Quantentechnologie ist ein relativ junger Bereich der Physik. Spezifische Eigenschaften der Quantenmechanik werden dazu unter anderem genutzt. Ziel ist, daraus praktische Anwendungen zu entwickeln wie beispielsweise für die Quanteninformatik, etwa Quantencomputer. Momentan funktionieren Computer nach dem Prinzip 1 oder 0, an oder aus. Das heißt: Zu jedem Zeitpunkt wird ein einziger Wert zugeordnet.

Befehle wirken sich auf alle Werte aus

Quantencompter dagegen funktionieren anders. Die kleinsten Recheneinheiten können mehrere Werte gleichzeitig annehmen. Dieser Effekt wird auch Verschränkung genannt. Das heißt, dass sich Maschinenbefehle auf alle diese Werte auswirken. Die Folge: Quantenrechner könnten wesentlich schneller rechnen als herkömmliche Computer. Logisch, dass dadurch das Potenzial der Quantentechnologie enorm ist. Sie könnte für Informationsübertragung- und verbreitung für höchstpräzise Mess- und Abbildungsverfahren oder für die Simulation komplexer Systeme eingesetzt werden. Beispielsweise, um Krankheiten wie Alzheimer oder Parkinson besser zu verstehen, den Verkehrsfluss zu optimieren oder neue Werkstoffe auf Grundlage von Simulationen zu entwickeln.

Meilenstein

Dass den Paderborner Universitäts-Wissenschaftlern nun gelungen ist, Schlüsselbausteine der Quantenphotonik (Informationen werden per Licht verarbeitet) auf einen einzelnen Chip zu integrieren, ist ein wichtiger Schritt, um neuartige Quantentechnologien zu etablieren. Einsatz könnten sie beispielsweise in der abhörsicheren Kommunikation oder für Hochpräzisions-Messungen finden. Die Leibniz-Preisträgerin Prof. Dr. Christine Silberhorn sowie ihr Team sind für das Experiment verantwortlich. Bei den theoretischen Simulationen unterstützten die Gruppen von Prof. Dr. Polina R. Sharapova und Prof. Dr. Torsten Meier.

Licht als Informationsträger

„In modernen Kommunikationsnetzwerken ist die Übertragung von Licht über optische Glasfasern der etablierte Standard, um die benötigten hohen Datentransferraten zu erzielen“, erklärt Silberhorn. Dabei dienen kurze Lichtpulse als Informationsträger. Ein Lichtpuls besteht aus einer großen Anzahl von Photonen. Photonen sind die kleinste Lichteinheit. „Unter Verwendung von nur wenigen oder sogar einzelnen Photonen offenbaren sich faszinierende Effekte, die durch den Quantencharakter der Photonen entstehen“, erklärt die Wissenschaftlerin.
Trifft ein Photon auf einen Strahlteiler, kann es nur eine Richtung wählen. Wenn sich aber zwei Photonen an einer Kreuzung treffen, gibt es mehrere Möglichkeiten. Entweder schließen sie sich zusammen, um dieselbe Richtung zu wählen. Oder sie ziehen alleine in unterschiedliche Richtungen weiter. Treffen sich jedoch zwei Photonen gleichzeitig an einer Kreuzung, schließen sie sich zusammen. Anschließend verlassen sie diese am gleichen Ausgang. Fast so, als würden sie sich über ihren Weg austauschen, wie die Forscherin erläutert.

Schritt zur Miniaturisierung

Dieses Zusammenspiel von Photonen ist ein grundlegender Effekt in der Quantenoptik. Und damit das Herzstück zahlreicher Quantenlogikoperationen – etwa in Quantensimulatoren, -Repeatern oder -Computern. Die Forschergruppe von Silberhorn zeigte damit, dass es möglich ist, den Vorgang aus dem Experiment auf einem Chip zu implementieren. Silberhorn sagt dazu: „Die Implementierung eines solchen Quantenexperiments in einen einzigen Chip ist ein großer Schritt zur Miniaturisierung. Er ebnet den Weg zu kommerziellen Anwendungen von Quantentechnologien“.

Prof. Dr. Christine Silberhorn, Lehrstuhl für Integrierte Quantenoptik an der Universität Paderborn

Foto: (Universität Paderborn)