Verschränkte Photonenpaare sind ein Grundbaustein für Quantenkommunikation, Quantenkryptografie und photonische Quantencomputer. Bisher wurden sie meist in sperrigen Bulk‑Kristallen mittels spontaner parametischer Fluoreszenz erzeugt. Im Sommer 2025 präsentierte ein Team der Harvard University um Robert Zhu und Federico Capasso jedoch einen ultradünnen Metasurface‑Chip, der verschränkte Photonen direkt auf einem einzelnen Chip generiert. Die nur wenige hundert Mikrometer dünne Metastructure gilt als Meilenstein der integrierten Quantenoptik.
Funktionsweise der Metasurface
Der Chip besteht aus einer galliumphosphid‑Membran, die mithilfe moderner Halbleiterlithografie mit einem Muster aus dreieckigen Löchern versehen wird. Dieses Nanogitter wirkt als Metasurface, die die Phase und Amplitude einfallender Lichtwellen kontrolliert. Wird der Chip mit einem Laser im nahen Infrarotbereich gepumpt, regt der Kristall nichtlineare Prozesse an: ein eintreffendes Pump‑Photon spaltet sich in zwei niederenergetische Photonen, die aufgrund der Geometrie der Löcher verschränkt sind (spontane parametische Abspaltung). Die treppenförmig angeordneten Dreiecke übertragen eine geometrische Berry‑Phase auf die Photonen und verleihen ihnen definierte Polarisationen.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Bulk‑Kristallen besitzt die Metasurface Resonanzen sowohl bei der Pump‑ als auch bei der Signalwellenlänge. Dadurch erhöht sich die Effizienz des Umwandlungsprozesses deutlich. Die gezackten Löcher über die gesamte Oberfläche sorgen zudem dafür, dass verschränkte Photonen genau in die gewünschte Richtung emittiert werden – eine wichtige Voraussetzung für integrierte Photonik. In Labortests wiesen die erzeugten Photonen hohe Verschränkungsgrade bei gleichzeitig geringer Rauschrate auf.
Vorteile und Anwendungen
Mit ihrer geringen Dicke von unter einem Millimeter lässt sich die Quelle in integrierte Photonikkreise einbauen. Sie kann zusammen mit modulären Bauteilen wie Wellenleitern, Phasenmodulatoren und Detektoren auf einem Chip integriert werden und ermöglicht dadurch kompakte Quantengeräte. In der Quantenkommunikation könnten solche on‑chip‑Quellen eine stabilere Erzeugung von verschränkten Photonen für Quantenkryptografie bieten. Auch in der Quantenmetrologie und für photonische Sensoren erleichtern sie die Erzeugung von NOON‑Zuständen und anderen nichtklassischen Lichtzuständen.
Die Integration auf Halbleiterbasis eröffnet zudem neue Möglichkeiten für skalierbare Quantenrechner. Durch die Kombination vieler identischer Quellen auf einem Wafer könnten parallele optische Qubits erzeugt und über Wellenleiter verknüpft werden. Metasurface‑Strukturen lassen sich außerdem an unterschiedliche Wellenlängen anpassen, etwa an das Telekommunikationsband, was die Kompatibilität mit bestehenden Glasfasernetzen erhöht. Weitere Hintergründe zu Hardwareplattformen findest du im Artikel Gate‑ vs. Annealing‑Quantensysteme.
Herausforderungen und Ausblick
Trotz der beeindruckenden Fortschritte steht die Technologie erst am Anfang. Die Effizienz der Photonenerzeugung muss weiter gesteigert und die Kopplung an andere photonic components verbessert werden. Außerdem ist es eine Herausforderung, das genau definierte Lochmuster auf großen Waferflächen reproduzierbar zu fertigen. Künftige Arbeiten werden darauf abzielen, elektronische Steuerungselemente direkt in das Chipdesign zu integrieren, um dynamische Anpassungen der Phasen und Polarisationen zu ermöglichen.
Die Forschung zu metasurface‑basierten Quantenquellen ist ein wichtiger Schritt in Richtung On‑Chip‑Quantenoptik. Mit weiteren Verbesserungen könnten ultradünne Chips bald als kommerzielle Bausteine für Quantenkommunikationsgeräte, verschränkte Photonendetektoren und modulare Quantencomputer dienen. In Kombination mit supraleitenden oder Ionfallen‑Qubits entstehen neue Hybridarchitekturen, die die Stärken verschiedener Plattformen vereinen.
Weiterführende Artikel
- Quantenkommunikation und Quanteninternet
- Quanten-Sensorik: Präzise Messungen dank Quantenmechanik
- Variationale Quantenalgorithmen
- Post-Quantum-Kryptografie
Hinweis: Dieser Beitrag fasst den Stand der Forschung zur Metasurface‑Quantenquelle zusammen. Für detaillierte technische Informationen und mathematische Beschreibungen empfehlen wir die Fachliteratur und die verlinkten Beiträge.