Präzise Mischung von Licht und Schall

Wissenschaftlern eines polnisch-deutschen Forscherteams von der Technischen Universität Wrocław, den Universitäten Augsburg und Münster sowie München ist es gelungen, nanoskalige Schallwellen mit Lichtquanten zu mischen. Für ihre Forschung, deren Ergebnisse soeben in der renommierten Fachzeitschrift Optica veröffentlicht wurden, nutzten sie ein künstliches Atom, das Schallwellenschwingungen mit bisher unerreichter Präzision in einzelne Lichtquanten - Photonen – umwandelt.

Licht- und Schallwellen bilden die Grundlage der modernen Kommunikationstechnologien. Licht wird genutzt, um Daten über das weltweite Glasfasernetz zu übertragen. Und Geräte, die Schallwellen verwenden, werden für die drahtlose Kommunikation zwischen Routern, Tablets oder Smartphones eingesetzt. Diese beiden Schlüsseltechnologien müssen nun an das kommende Zeitalter der Quantenkommunikation angepasst werden. Sogenannte hybride Quantentechnologien sind hier der Schlüssel.

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Hybride Quantentechnologien kombinieren Licht und Schall

Sie kombinieren unterschiedliche Quantensysteme, indem sie die einzigartigen Vorteile jedes Systems nutzen und gleichzeitig ihre Grenzen überwinden. Auf diesem Gebiet sind Kristallgitterschwingungen besonders vielversprechend, erklärt Prof. Hubert Krenner, der die Forschung an der Universität Augsburg leitet. Er fügt hinzu, dass Phononen, wie Physiker diese Schwingungen nennen, buchstäblich jedes im Kristall eingebettete Objekt dehnen und stauchen und so seine physikalischen Eigenschaften verändern.

Bei ihrer Forschung nutzen die Wissenschaftler akustische Oberflächenwellen auf der Nanometerskala, die ein einzelnes künstliches Atom, einen sogenannten Quantenpunkt, in Schwingung versetzen und so die Farbe des ausgesandten Lichts verändern.In unseren Simulationen konnten wir die in Augsburg gemessenen Spektren nahezu perfekt reproduzieren, indem wir nanoskalige Schallwellen in unser Modell einbauten, so als wäre es ein Phononenlaserstrahl. Die vorgestellten Ergebnisse sind ein Meilenstein in der Entwicklung hybrider Quantentechnologien, denn ein Quantenpunkt sendet einzelne Lichtquanten, sogenannte Photonen, aus, die durch eine Schallwelle präzise getaktet werden", freut sich Dr. Daniel Wigger, der als NAWA-ULAM-Fellow an der Universität Münster und der Technischen Universität Wrocław die Kopplung zwischen Quantenpunkten und Phononen untersucht.

Dr. Matthias Weiß wiederum, der am Institut für Physik in Augsburg promoviert hat, ergänzt, dass es faszinierend sei, dass die Spektrallinien der in München hergestellten Quantenpunkte so extrem scharf sind. So konnten wir beobachten, wie die geringe Energie eines einzelnen Phonons die Spektrallinie eines Quantenpunkts verschiebt, erklärt Dr. Matthias Weiß.

Kleinste Energieportionen

Das Forschungsteam hat einen weiteren wichtigen Schritt nach vorne gemacht. Die Wissenschaftler verwendeten eine zweite Schallwelle mit einer anderen Frequenz. Im Spektrum des Quantenpunktes erschienen neue Spektrallinien, die der Summe bzw. Differenz der Frequenzen der beiden Schallwellen entsprechen. Prof. Hubert Krenner merkt an, dass dieses Phänomen in der Optik schon seit Jahrzehnten als Wellenmischung bekannt ist.

Laserpointer nutzen diesen Prozess, um grünes Licht zu erzeugen. Bei unserer Arbeit sind Laser Schallwellen, die wir mit Lichtquanten mischen, sagt Prof. Hubert Krenner, der die Präzision dieses Phänomens atemberaubend findet.

Dr. Matthias Weiß fügt hinzu, dass die Wissenschaftler, als sie die Frequenz einer der beiden Schallwellen um ein Billionstel veränderten, beobachteten, dass das Spektrum wie vorhergesagt mit einer Periode von etwa einem halben Tag schwingt. Der Quantenpunkt selbst stellt das sogenannte Qubit dar, eine grundlegende Einheit im Quantencomputing.

Dr. Daniel Wigger weist derweil darauf hin, dass die Forscher den Quantenpunkt im Modell als Qubit betrachteten, das von einer Schallwelle moduliert wird. Darüber hinaus mussten sie keine Annahmen treffen. Die Forscher sind überzeugt, dass die außergewöhnliche Übereinstimmung zwischen Berechnungen und experimentellen Ergebnissen beweist, dass ihr sehr allgemeines Modell alle Schlüsseleigenschaften genau beschreibt. Sie sollte daher auch auf viele andere Qubit-Implementierungen anwendbar sein.

Veröffentlich in Optica