Physiker haben mehr als ein Jahrhundert damit verbracht, die seltsame Art und Weise zu messen und zu verstehen, wie Photonen, Elektronen und andere subatomare Teilchen in extrem kleinen Maßstäben interagieren. Ingenieure haben Jahrzehnte damit verbracht, herauszufinden, wie sie diese Phänomene nutzen können, um neue Technologien zu entwickeln.
Bei einem solchen Phänomen namens Quantenverschränkung werden Photonenpaare so miteinander verbunden, dass sich der Zustand eines Photons sofort ändert, um dem Zustand seines gepaarten Photons zu entsprechen, unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind.
Vor fast 80 Jahren bezeichnete Albert Einstein dieses Phänomen als „gruselige Fernwirkung“. Heutzutage ist die Verschränkung Gegenstand von Forschungsprogrammen auf der ganzen Welt – und sie entwickelt sich zu einer bevorzugten Methode zur Implementierung der grundlegendsten Form der Quanteninformation, des Qubits.
Der derzeit effizienteste Weg, Photonenpaare zu erzeugen, besteht darin, Lichtwellen durch einen Kristall zu schicken, der groß genug ist, um ohne Mikroskop sichtbar zu sein. In einem heute in Nature Photonics veröffentlichten Artikel beschreibt ein Team unter der Leitung von Forschern und Mitarbeitern von Columbia Engineering eine neue Methode zur Erzeugung dieser Photonenpaare, die eine höhere Leistung auf einem viel kleineren Gerät mit weniger Energie erreicht. P. James Schuck, außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der Columbia Engineering, half bei der Leitung des Forschungsteams.
Diese Erkenntnisse stellen einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet der nichtlinearen Optik dar, bei der es um den Einsatz von Technologien zur Veränderung der Eigenschaften von Licht für Anwendungen wie Laser, Telekommunikation und Laborgeräte geht.
„Diese Arbeit stellt die Verkörperung des seit langem angestrebten Ziels dar, makroskopische und mikroskopische nichtlineare und Quantenoptik zu verbinden“, sagt Schuck, Co-Direktor des Masterstudiengangs Quantenwissenschaft und -technologie an der Columbia University. „Es bildet die Grundlage für skalierbare, hocheffiziente, auf dem Chip integrierbare Geräte wie abstimmbare mikroskopische Generatoren für verschränkte Photonenpaare.“
Wie es funktioniert
Mit einer Dicke von nur 3,4 Mikrometern weist das neue Gerät auf eine Zukunft hin, in der diese wichtige Komponente vieler Quantensysteme auf einen Siliziumchip passen kann. Diese Änderung würde erhebliche Fortschritte bei der Energieeffizienz und den gesamten technischen Fähigkeiten von Quantengeräten ermöglichen.
Zur Herstellung des Geräts verwendeten die Forscher dünne Kristalle eines sogenannten Van-der-Waals-Halbleiter-Übergangsmetalls namens Molybdändisulfid. Dann schichteten sie sechs dieser Kristallstücke zu einem Stapel auf, wobei jedes Stück um 180 Grad relativ zu den Kristallplatten darüber und darunter gedreht wurde. Während Licht durch diesen Stapel wandert, manipuliert ein Phänomen namens Quasi-Phasenanpassung die Eigenschaften des Lichts und ermöglicht die Erzeugung gepaarter Photonen.
Dieser Artikel stellt das erste Mal dar, dass Quasi-Phasenanpassung in einem Van-der-Waals-Material verwendet wurde, um Photonenpaare bei Wellenlängen zu erzeugen, die für die Telekommunikation nützlich sind. Die Technik ist deutlich effizienter als bisherige Methoden und weitaus weniger fehleranfällig.
„Wir glauben, dass dieser Durchbruch Van-der-Waals-Materialien als Kern nichtlinearer und quantenphotonischer Architekturen der nächsten Generation etablieren wird, da sie ideale Kandidaten für die Ermöglichung aller zukünftigen On-Chip-Technologien sind und aktuelle massive und periodisch gepolte Kristalle ersetzen“, sagt Schuck.
„Diese Innovationen werden unmittelbare Auswirkungen auf verschiedene Bereiche haben, einschließlich der satellitengestützten Verteilung und der Quantenkommunikation für Mobiltelefone.“
Wie es passiert ist
Schuck und sein Team bauten bei der Entwicklung des neuen Geräts auf ihrer bisherigen Arbeit auf. Im Jahr 2022 zeigte die Gruppe, dass Materialien wie Molybdändisulfid nützliche Eigenschaften für die nichtlineare Optik besitzen – die Leistung wurde jedoch durch die Tendenz der Lichtwellen, sich beim Durchgang durch dieses Material gegenseitig zu stören, eingeschränkt.
Um diesem Problem entgegenzuwirken, wandte sich das Team einer Technik namens periodischer Polung zu, die als Phasenanpassung bezeichnet wird. Durch die Änderung der Richtung der Platten im Stapel manipuliert das Gerät das Licht auf eine Weise, die die Erzeugung von Photonenpaaren auf winzigen Längenskalen ermöglicht.
„Als wir verstanden, wie erstaunlich dieses Material ist, wussten wir, dass wir die periodische Polung verfolgen mussten, die die hocheffiziente Erzeugung von Photonenpaaren ermöglichen könnte“, sagt Schuck.
Diese Arbeit erfolgte im Rahmen von Programmable Quantum Materials, einem Energie-Grenzforschungszentrum (EFRC) des Energieministeriums in Columbia, als Teil einer größeren Anstrengung, Quantenmaterialien zu verstehen und zu nutzen. Diese Arbeit war dank der Beiträge der Labore Baso, Delor und Dean möglich. Die Forschungsarbeit wurde von der Postdoktorandin Chiara Trovatello geleitet.
