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Oct 28, 2023

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Quantentechnologien versprechen, die Gesellschaft zu revolutionieren, indem sie radikal Neues ermöglichen

Quantentechnologien versprechen, die Gesellschaft zu revolutionieren, indem sie radikal neue Methoden für Kommunikation, Erfassung und Berechnung ermöglichen. Es ist eine Welt voller Möglichkeiten, die die Wissenschaft in vielerlei Hinsicht gerade erst zu skizzieren beginnt.

Wenn die Quantenkryptographie beispielsweise umgesetzt werden könnte, würde sie ein beispielloses Maß an Datensicherheit gegen böswillige Hacker bieten. Das liegt daran, dass Quanteninformationen in Photonen – einzelnen Lichtteilchen – kodiert werden können, die nicht kopiert oder gemessen werden können. Eindringlinge würden sofort entlarvt.

Eine der großen Hürden für die Quantenkryptographie, die Wissenschaftler zunächst überwinden müssen, ist jedoch die Fähigkeit, Photonen auf eine Weise zu erzeugen, die zuverlässig Quantennetzwerke oder ein Quanteninternet speist.

Jetzt hat ein Forscherteam unter der Leitung von Boubacar Kanté, außerordentlicher Chenming-Hu-Professor am Fachbereich Elektrotechnik und Informatik der UC Berkeley und Fakultätswissenschaftler an der Abteilung für Materialwissenschaften des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), den ersten On-Demand-Vorgang demonstriert Quantenlichtquelle mit Silizium. Laut Kanté ist Silizium – das Material, auf dem täglich Millionen winziger elektronischer Geräte hergestellt werden – das „skalierbarste“ optoelektronische Material, das es gibt.

Ihre Forschung wurde heute in Nature Communications veröffentlicht.

„Die Möglichkeit, Silizium als Quelle für Quantenlicht zu nutzen, bedeutet, dass die derzeitigen groß angelegten Herstellungsprozesse von Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS)-Chips, die den Kern heutiger Geräte der Optoelektronik und der künstlichen Intelligenz (KI) bilden, direkt für zukünftige Quantensysteme genutzt werden können.“ „, sagte Kanté.

Seit den späten 1970er Jahren wurden viele vielversprechende Einzelphotonen emittierende Quantengeräte für die Quantenkryptographie demonstriert. Dazu gehören Exoten aus der Materialwissenschaft wie Quantenpunkte, Farbzentren in Materialien mit großer Bandlücke, nichtlineare Kristalle und Atomdampfzellen.

Trotz jahrzehntelanger Forschung gibt es jedoch keinen klaren Gewinner für eine Quantenlichtquelle, die ein Quanteninternet speisen könnte.

Ein Quanteninternet im großen Maßstab, erklärte Kanté, würde nicht nur eine helle und effiziente Quantenlichtquelle erfordern, sondern auch Photonen, die sich in vorhandenen optischen Fasern ausbreiten können, ohne absorbiert zu werden. Keine heute verfügbare Lichtquelle kann diese hohe Messlatte erfüllen. Alle erfordern eine Energieumwandlung für die Integration mit CMOS-kompatiblen Plattformen, wie es heute bei integrierten „klassischen“ Lichtquellen der Fall ist.

Aber die Herausforderung bei der Integration von Quantengeräten mit CMOS-kompatiblen Plattformen sei noch größer als bei klassischen Systemen, sagte Kanté. Das liegt daran, dass jede Schnittstelle Quantenlichtverluste ermöglicht, die minimiert werden müssen.

Die vom UC Berkeley/Berkeley Lab-Team entwickelte On-Demand-Silizium-Quantenlichtquelle ist die erste experimentelle Arbeit, die die Integration eines einzelnen atomaren Silizium-Emissionszentrums, bekannt als G-Zentrum, direkt in einem nanophotonischen Hohlraum aus Silizium demonstriert, erklärte Kanté.

„In dieser Arbeit ist es uns zum ersten Mal gelungen, einen atomaren Defekt in Silizium mit der Größe von Atomen (1 Angström) in einen photonischen Hohlraum (1 Mikrometer) aus Silizium mit der Größe von weniger als einem Zehntel eines menschlichen Haares einzubetten. Der Hohlraum.“ „Zwingt das Atom dazu, heller zu sein, und es emittiert Photonen schneller. Das sind notwendige Zutaten für skalierbare Quantenlichtquellen für das zukünftige [Quanten-]Internet“, sagte er.

Die erfolgreiche Herstellung der Einzelphotonenemitter erfordert eine kontrollierte Fertigungssequenz, beginnend mit einem handelsüblichen Siliziumwafer, in den Kohlenstoff implantiert wird. Auf die Implantation folgen Lithographie, Ätzen und thermisches Tempern – alles Standardprozesse, die in heutigen Halbleitergießereien verfügbar sind.

Die Herausforderung bestehe laut Kanté darin, atomare Emissionszentren zu schaffen und deren Dichte und Verteilung für eine erfolgreiche Überlappung mit optischen Hohlräumen zu kontrollieren. Das Team hat einige der wichtigsten Herausforderungen gemeistert, es sind jedoch Verbesserungen erforderlich und viele Fragen müssen noch beantwortet werden.

Von links nach rechts: Boubacar Kanté, Christos Papapanos, Kaushalya Jhuria, Walid Redjem, Thomas Schenkel, Wayesh Qarony, Vsevolod Ivanov, Yertay Zhiyenbayev, Wei Liu, Liang Tan, Prabin Parajuli und Scott Dhuey in der Molecular Foundry des Lawrence Berkeley National Laboratory. (Berkeley Lab-Foto)

„Wir haben herausgefunden, dass der Temperprozess während der Bildung der einzelnen Emissionszentren Schwankungen in den Quanteneigenschaften erzeugt, und wir verstehen jetzt kritische Parameter, die diese Eigenschaften steuern“, sagte Thomas Schenkel, Forscher am Berkeley Lab.

Die Verwendung von Silizium sei etwas kontraintuitiv gewesen, sagte Walid Redjem, Postdoktorand in Kantes Gruppe. „Silizium ist das, was man einen Halbleiter mit indirekter Bandlücke nennt. Das heißt, es ist für die Lichtemission ungünstig. Beispielsweise gibt es keinen effizienten Laser, der Silizium verwendet.“

Doch es stellt sich heraus, dass die Realität nur für klassische Lichtquellen gilt. „Für Quantenlichtquellen ist das kein Problem“, sagte Kanté. Er und sein Team arbeiten bereits intensiv an der Weiterentwicklung ihrer Quantenlichtquelle, die vollständig aus Silizium besteht.

Die Studie wurde von Redjem, dem Postdoktoranden Wayesh Qarony und Yertay Zhiyenbayev, einem Doktoranden im dritten Jahr, geleitet. Student in Kantés Gruppe. Weitere Co-Autoren sind Schenkel, Vsevolod Ivanov, Christos Papapanos, Wei Liu, Kaushalya Jhuria, Zakaria Al Balushi, Scott Dhuey, Adam Schwartzberg und Liang Tan.

Die National Science Foundation und das Energieministerium stellten die Hauptunterstützung für die Studie bereit. Zusätzliche Mittel kamen vom Office of Naval Research, dem Moore Inventor Fellows-Programm und dem Bakar Fellowship der UC Berkeley.