Neuer Ansatz schafft Voraussetzungen für effiziente und besser skalierbare Einzelphotonenquellen in Quantennetzwerken –
Quantennetzwerke und Quantencomputer benötigen für ihre Skalierung effiziente Einzelphotonenquellen. Einzelphotonen lassen sich mithilfe von Festkörperemittern gezielt erzeugen, was jedoch technisch anspruchsvoll ist. Denn die verwendeten Emitter weisen neben der gewünschten Emission unerwünschte optische Zerfallskanäle auf, die die Effizienz und Qualität der Einzelphotonenquelle beeinträchtigen. Vor diesem Hintergrund haben Forschende aus dem QR.N-Konsortium in München in Zusammenarbeit mit dem Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST) eine neue Methode entwickelt, um unerwünschte Emissionen gezielt zu unterdrücken. Die Ergebnisse des Experiments wurden Mitte Juli 2026 in Nature Communications in einem Paper veröffentlicht.
Die im Experiment verwendete Photonenquelle basiert auf Erbium-Dotieratome in nanophotonischen Silizium-Wellenleitern. Erbium ist für Quantennetzwerke besonders interessant, da seine optischen Übergänge im verlustarmen Telekommunikationsbereich von Glasfasern liegen. Die Forschenden verfolgen dabei einen neuen Ansatz zur Verbesserung der Einzelphotonenquellen: Anstatt die Emitter dazu zu bringen, vermehrt Licht bei einer bestimmten Frequenz abzugeben, verändern sie gezielt deren optische Umgebung, sodass die Emission bei unerwünschten Frequenzen unterdrückt wird. Dafür nutzen sie W1-Silizium-Photonenkristall-Wellenleiter mit einer maßgeschneiderten photonischen Bandlücke. Diese Nanostrukturen blockieren bestimmte Wege, über die der Emitter Licht abstrahlen kann. Dadurch werden unerwünschte Lichtfrequenzen selektiv unterdrückt, während die gewünschte Emission erhalten bleibt. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine effiziente Photonensammlung über einen breiten Frequenzbereich und erlaubt dadurch die individuelle Adressierung von Dutzenden Erbium-Emittern.
Die Ergebnisse des Experiments bestätigen die Wirksamkeit der Technologie: Durch die photonischen Kristallwellenleiter gelang es den Forschenden, den Anteil der gewünschten Photonen am emittierten Licht von etwa 23 % auf rund 72 % zu steigern – ein Wert, der bislang nur mit deutlich aufwendigeren Resonatoransätzen erreicht werden konnte. Gleichzeitig erfolgt die Photonenerzeugung mit dem neuen Ansatz etwas langsamer als bei herkömmlichen Methoden. Dies kann für die Quantenkommunikation von Vorteil sein, da sich die Eigenschaften der Photonen bei einer zu schnellen Erzeugung schwieriger kontrollieren lassen, so Prof. Dr. Andreas Reiserer von der Technischen Universität München (TUM). Der Ansatz eignet sich damit für viele Emitter besser als die bisher verwendeten Resonatoren. Da die Kristallwellenleiter den Emitter nicht stören, sondern lediglich dessen optische Umgebung verändern, ergeben sich weitere Vorteile: Zum einen können mehrere Photonenquellen gleichzeitig in einem Bauteil verwendet werden. Dies ist bei Resonatoren aufgrund ihrer geringen Größe nur eingeschränkt möglich. Zum anderen lässt sich die gewünschte Frequenz flexibler auswählen, da die photonischen Kristallwellenleiter nicht wie klassische Resonatoren präzise an den jeweiligen Emitter angepasst werden müssen. Zudem lässt sich der Ansatz mit der Purcell-Verstärkung kombinieren und auf andere Spin-Qubit-Plattformen übertragen. Damit eröffnet die Methode neue Perspektiven für photonische Quantentechnologien und die Entwicklung zukünftiger Quantennetzwerke.
Weitere Informationen zur Publikation gibt es auch in der offiziellen Pressemeldung der Technischen Universität München.
Quellennachweise: https://www.tum.de/aktuelles/alle-meldungen/pressemitteilungen/details/tum-entwickelt-einzelphotonenquellen-fuer-quantenkommunikation; https://www.nature.com/articles/s41467-026-75489-5
