Die Arbeiten entstanden unter der Leitung von Prof. Stephan Reitzenstein in der Arbeitsgruppe ‚Optoelektronik und Quantenbauelemente‘ am Institut für Physik und Astronomie der TU Berlin in Zusammenarbeit mit Forschenden der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entwickelten eine neue Quantenchip-Architektur, bei der sogenannte Quantenpunkte – nanoskopisch kleine Halbleiterstrukturen zur Erzeugung einzelner Lichtteilchen – präzise an vorgegebenen Positionen in den Chip integriert werden. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Light: Science & Applications veröffentlicht.
Vom Zufallsprinzip zur gezielten Herstellung
Den Forschenden zufolge gelten Quantenpunkte als vielversprechende Quelle einzelner Lichtteilchen (Photonen). Diese Lichtteilchen seien eine wichtige Grundlage für zukünftige Anwendungen wie abhörsichere Quantenkommunikation, Quantennetzwerke, Quantensensorik oder photonische Quantencomputer. Wie die Beteiligten mitteilen, entstand jedoch bei der Herstellung ein zentrales Problem: Die Quantenpunkte bildeten sich während des Wachstumsprozesses zufällig auf dem Halbleitermaterial. Forschende mussten daher zunächst geeignete Quantenpunkte aufwendig identifizieren, bevor sie die notwendigen photonischen Strukturen um diese herum fertigen konnten. „Für einzelne Demonstratoren war dieses Vorgehen sehr erfolgreich. Wenn man jedoch viele Quantenlichtquellen mit vergleichbarer Qualität auf einem Chip herstellen möchte, wird die zufällige Position der Quantenpunkte zu einem zentralen Engpass”, erklärt Kartik Gaur, der die Quantenbauelemente im Rahmen seiner Doktorarbeit entwickelt hat. „Unser Ansatz verschiebt diesen Schritt bereits in das Kristallwachstum: Die Quantenpunkte entstehen dort, wo sie später auch im photonischen Bauelement benötigt werden.“
Die Arbeitsgruppe von Prof. Reitzenstein hat ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die Position der Quantenpunkte bereits während des Kristallwachstums vorgeben lässt. Laut den Wissenschaftlern wird dies durch eine spezielle, im Substrat des Chips verborgene Schicht ermöglicht, die sehr präzise Materialspannungen erzeugt und so das Wachstum der Quantenpunkte gezielt steuert. Anschließend werden die Quantenpunkte direkt in nanophotonische Resonatoren integriert, die das erzeugte Licht besonders effizient sammeln und für Quantentechnologie-Anwendungen zur Verfügung stellen. In der industriellen Bildverarbeitung stellen PC-basierte Systeme oft eine technische Hürde dar. Die Trennung von Bildaufnahme und Datenverarbeitung führt häufig zu Latenzen, erhöhtem Platzbedarf und einem komplexen Wartungsaufwand. Besonders in schnellen Produktionslinien erschwert die Synchronisation zwischen Sensor und externem Rechner eine stabile Prozesskontrolle. ‣ weiterlesen
Präzise 2D-Inspektion mit nativer Edge-Intelligenz
Reproduzierbare Qualität
Mit dem neuen Verfahren fertigten die Forschenden ein 6×6-Raster aus 36 Quantenlichtquellen, bei dem alle erzeugten Bauelemente funktionsfähig waren. Das Team betont, dass damit eine exzellente Reproduzierbarkeit erreicht wurde. Diese sei in der halbleiterbasierten Quantenphotonik bislang nur selten erzielt worden. „Die eigentliche Bedeutung dieser Arbeit liegt nicht allein in der hohen Ausbeute der Bauelemente“, sagt Reitzenstein. „Entscheidend ist, dass wir zeigen können, wie sich leistungsfähige Quantenlichtquellen mit kontrollierbarer Qualität und hoher Reproduzierbarkeit auf einem Halbleiterchip realisieren lassen. Damit adressieren wir eine zentrale Herausforderung der Quantenphotonik: den Übergang von individuell optimierten Labordemonstratoren zu skalierbaren, technologisch nutzbaren Plattformen für zukünftige Quantensysteme.“
Grundlagen für die nächste Generation von Quantenchips
Das Forschungsteam untersuchte darüber hinaus, wie sich kleinste Abweichungen bei der Positionierung der Quantenpunkte auf die Leistungsfähigkeit der Bauelemente auswirken können. Dazu kombinierten die Forschenden verschiedene bildgebende, spektroskopische und quantenoptische Messverfahren mit numerischen Simulationen. Die theoretischen Arbeiten wurden dabei von der Arbeitsgruppe von Prof. Christopher Gies an der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg durchgeführt. Die Modellierungen sollen erklären, wie sich die genaue Position der Quantenpunkte auf die Eigenschaften der erzeugten Lichtteilchen auswirken und wichtige Richtlinien für die Entwicklung zukünftiger Quantenchips liefern.
