Wie in dieser Grafik haben die Forschenden in Dresden in einem Siliziumwafer (dem Ausgangsmaterial für Computerchips) einzelne Photonen im Telekom-0-Band emittiert, die dann durch ein Glasfaserkabel geleitet werden können. Bildrechte: HZDR/Juniks

Quantentechnologie und Siliziumchips Dresdner Forscher "schießen" mit Photonen

15. September 2020, 15:16 Uhr

Quantentechnologie ist wie ein großes Zukunftsversprechen: superschnelle Computer für echte künstliche Intelligenz, nicht zu knackende Verschlüsselungen. Aber nicht alles kann Quantentechnik sein. Und das ist das Problem: Die neue Quanten- und die alte, siliziumbasierte Technologie müssen miteinander reden können. Forschende aus Dresden haben dafür jetzt die Lösung.

Daran, Quantentechnologie zu erklären, scheitern viele. Es ist auch wirklich schwierig, sich vorzustellen, dass etwas, was jetzt hier passiert, sofort einen Effekt hat - tausende Kilometer entfernt. Aber das ist die Grundlage der Quantentechnologie. Deshalb ist Quantenverschlüsselung so effektiv. Fängt ein Datendieb die Sendung ab - in diesem Fall in Form von Lichtteilchen, den Photonen - zerstört er unweigerlich deren Quanteneigenschaften. Das aber bleibt den Sendern und Empfängern der Botschaft nicht verborgen – sie können die unsicher gewordene Übertragung rechtzeitig abbrechen.

Silizium trifft auf Quantentechnologie

Um so eine Kommunikation zu ermöglichen, muss man Lichtteilchen genau kontrollieren können. Das ist ein Teil der Aufgabe. Denn es bleibt noch die Frage: Wie kombiniert man das mit unserer weltweit existierenden Elektronik, die auf Siliziumchips basiert und über Glasfaserkabel kommuniziert? Genau dafür haben Forschende vom Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) jetzt die Lösung gefunden.

Ihnen ist es gelungen, die für die Glasfaserkommunikation benötigten Infrarot-Photonen mit einer Wellenlänge von 1,3 Mikrometern mithilfe von Kohlenstoff und Silizium einzeln zu erzeugen. In einem noch sehr aufwendigen Prozess mit einem Beschleuniger des HZDR-Ionenstrahlzentrums - aber bereits mit bis 100.000 Einzelphotonen pro Sekunde, so der Physiker Dr. Georgy Astakhov in einer Mitteilung des HZDR. "Und er läuft stabil, auch nach einigen Tagen Dauerbetrieb konnten wir keine Verschlechterung bemerken." 

Praktische Umsetzung für den Alltag

Jetzt müssen die Forscher allerdings noch einige praktische Probleme lösen. Denn noch funktioniert das System nur bei extremer Kälte – mit Flüssighelium bei Temperaturen von minus 268 Grad Celsius. Und sie müssen die Technologie auf einen Computerchip bekommen. Gekoppelt mit einem sogenannten Resonator könnten sie dann die Photonen gezielt aussenden.

"Dass man solche Resonatoren in Silizium bauen kann, ist bereits bewiesen", berichtet Astakhovs Kollege Dr. Yonder Berencén. "Das Glied, was noch fehlte, war eine siliziumbasierte Quelle für einzelne Photonen. Und genau die konnten wir jetzt umsetzen."

Link zur Studie

Die Forschungsergebnisse sind unter dem Titel "Engineering telecom single-photon emitters in silicon for scalable quantum photonics" in Optics Express erschienen.

(gp)