Hybride Quantentechnologien nutzen Licht und Schallwellen

Diese verbinden verschiedenartige Quantensysteme miteinander, um die unterschiedlichen St?rken gezielt zu nutzen und gleichzeitig die einzelnen Schw?chen zu umgehen. ?Auf diesem Feld sind Schwingungen des Kristallgitters besonders vielversprechend,“ erl?utert Professor Hubert Krenner, der die Studie an der Universit?t Augsburg leitet und erg?nzt: ?Phononen, wie wir Physiker diese Schwingungen nennen, verzerren jedes im Kristall eingebettete Objekt und ver?ndern so seine physikalischen Eigenschaften.“

In ihrer Studie verwenden die Forscher akustische Oberfl?chenwellen, um ein einzelnes künstliches Atom, einen sogenannten Quantenpunkt, in Schwingung zu versetzen und so die Farbe des Lichts, das dieser abstrahlt, zu ?ndern. Dr. Daniel Wigger, der an der Westf?lischen-Wilhelms Universit?t Münster und der Technischen Universit?t Breslau (Politechnika Wroc?awska) ?die Kopplung von Quantenpunkten und Phononen erforscht, ist begeistert: ?In unseren Simulationen konnten wir die in Augsburg gemessenen Spektren nahezu perfekt nachbilden, indem wir die Nanoschallwelle wie einen Phononen-Laser in unser Modell eingebaut haben.“

Die vorgestellten Forschungsergebnisse sind ein Meilenstein für die Entwicklung hybrider Quantentechnologien, weil der Quantenpunkt einzelne Lichtquanten, sogenannte Photonen abstrahlt, die durch die Schallwelle exakt getaktet sind. Dr. Matthias Wei?, der am Augsburger Physikinstitut im Sommer seine Promotion abgeschlossen hat, fügt hinzu: ?Besonders spannend ist, dass die Spektrallinien der an der TU München hergestellten Quantenpunkte so extrem scharf sind. Dadurch konnte ich beobachten, wie sich diese um die Winzigkeit der Energie eines einzelnen Phonons verschiebt.“

Winzigkeit von Energie wird sichtbar

Das Forscherteam konnte aber noch einen entscheidenden Schritt weitergehen. Die Wissenschaftler verwendeten eine zweite Schallwelle mit einer anderen Frequenz. Im Spektrum des Quantenpunkts zeigten sich nun neue Spektrallinien, die der Summe oder Differenz der Frequenzen der beiden Schallwellen entsprachen. Professor Hubert Krenner: ?Dieses Wellenmischen kennt man in der Optik seit Jahrzehnten und es wird zum Beispiel in Laserpointern verwendet, um grünes Licht zu erzeugen. Unsere Laser sind Nanoschallwellen, die wir mit Lichtquanten mischen.“

Die Pr?zision dieses Ph?nomens ist atemberaubend. ?Als ich die Frequenz einer der beiden Schallwellen um die Winzigkeit von weniger als einem billionstel Teil ver?nderte, beobachtete ich, wie das Spektrum über die Dauer eines Tages exakt wie vorhergesagt schwingt,“ berichtet Matthias Wei?. Der Quantenpunkt selbst stellt ein sogenanntes Qubit dar, die Grundeinheit bei der Quanteninformationsverarbeitung. Daniel Wigger fügt hinzu: ?Es war vollkommen ausreichend, den Quantenpunkt als Qubit in unser Modell einzubauen, das von der Schallwelle in Schwingung versetzt wird. Sonst mussten wir keine Annahmen machen.“ Die hervorragende ?bereinstimmung zwischen den Berechnungen und den experimentellen Resultaten zeigt nach Ansicht der Forscher, dass ihr Modell bereits alle wesentlichen Eigenschaften richtig beschreibt. Somit sollte es auch direkt auf andere Qubits anwendbar sein.

Erfolg basiert auf jahrelanger gemeinsamer Spitzenforschung

In ihrer Spitzenforschung konnten die Arbeitsgruppen in Deutschland und Polen auf jahrelange Erfahrung bauen. Professor Tilmann Kuhn und Professor Pawe? Machnikowski haben an der Universit?t Münster und der Politechnika Wroc?awska Pionierarbeiten in der theoretischen Beschreibung der Kopplung von Quantenpunkten und Phononen geleistet, die Hubert Krenner mit Nanoschallwellen im Experiment untersucht. ?In diesem Projekt“, so Pawe? Machnikowski, ?haben wir sehr von der einzigartigen Verknüpfung von Theorie und Experiment und unserem gemeinsamen, reichen Erfahrungsschatz profitiert.“ Auch der Münsteraner Professor Tilmann Kuhn freut sich: ?Bis jetzt wurden Phononen bei der Kontrolle von Quantenzust?nden leider oft nur als l?stiges ?bel betrachtet und es wurde versucht, ihren Einfluss weitestgehend zu unterdrücken. In dieser Arbeit konnten Phononen nun ganz gezielt benutzt werden, um Quantenzust?nde zu kontrollieren.“

Die nun in Optica erschienene Arbeit ist aber nur der erste Schritt hin zu phononischen Quantentechnologien. Matthias Wei? hat auch schon die n?chsten Experimente durchgeführt, deren Ergebnisse Daniel Wigger zurzeit in Polen mit der Theorie in Einklang bringt.

Optomechanical wave mixing by a single quantum dot M. Wei?, D. Wigger, M. N?gele, T. Kuhn, K. Müller, J. J. Finley, P. Machnikowski, H. J. Krenner Optica 8, (2021) – http://dx.doi.org/10.1364/OPTICA.412201

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