Karl-Scheel-Sitzung und Preis 2020

Die gezielte Erzeugung und Kontrolle nicht-klassischer Lichtfeldzustände stellt eine zentrale Herausforderung auf dem Gebiet der Quantenoptik dar. Die aktuelle Forschung in diesem Feld wird dabei zunehmend auch von Anwendungen getrieben. So sind Quantenlichtquellen, welche auf Knopfdruck einzelne Photonen oder komplexere Mehrphotonenzustände aussenden, Schlüsselbauelemente photonischer Quantentechnologien und könnten künftig die Bereiche der Kommunikation, der Informationsverarbeitung und der Metrologie revolutionieren. Eine der vielversprechendsten Arten von Quantenemittern sind epitaktisch gewachsene Halbleiter-Quantenpunkte. Eingebettet in skalierbar herstellbare, hochintegrierte Bauelemente, ermöglichen sie die Erzeugung nahezu idealer Einzelphotonen- oder verschränkter Photonenpaarzustände.

Durch die jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet der angewandten Halbleiter-Quantenoptik konnte die Leistungsfähigkeit und Funktionalität von Quantenlichtquellen für konkrete Anwendungen in den Quantentechnologien substantiell gesteigert werden. So gelang es erstmals, sogenannte Photonen-Zwillinge mithilfe integrierter, festkörperbasierter Quantenlichtquellen zu erzeugen. Der dabei generierte Zustand des Lichtfeldes besteht aus zwei zeitlich stark korrelierten Photonen mit identischer Wellenlänge und Polarisation. Entsprechende Zwillingsphotonenquellen könnten beispielsweise auch in der Quantenbiologie eingesetzt werden. Darüber hinaus konnten festkörperbasierte Spin-Qubits auf Basis sogenannter „dunkler Exzitonen“ in deterministisch hergestellten Quantenbauelementen optisch präpariert, ausgelesen und dabei eine kohärente Spin-Präzession beobachtet werden. Dunklen Exzitonen ist aufgrund ihrer Spinkonfiguration die strahlende Rekombination verboten, weshalb sie als Qubits großes Potential für Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung besitzen. Schließlich erfolgt anhand neuester Forschungsresultate ein Ausblick, wie Quantenlichtquellen genutzt werden können, um abhörsichere Kommunikationsnetzwerke von Morgen zu entwickeln. Diese interdisziplinären Arbeiten werden seit August 2018 im Rahmen der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Nachwuchsgruppe „Quantenkommunikations Systeme“ an der Technischen Universität Berlin durchgeführt.