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Ein Forschungsteam der Universität Stuttgart und der Julius-Maximilians-Universität Würzburg unter der Leitung von Prof. Stefanie Barz (Universität Stuttgart) hat eine Lichtquelle realisiert, die einzelne Photonen im Telekommunikations-C-Band mit Rekordqualität und auf Abruf erzeugt – ein wichtiger Schritt hin zu skalierbarem photonischem Quantencomputing und zur Quantenkommunikation.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-68336-0
„Dass keine hochwertige C-Band-Photonenquelle zur Verfügung stand, die auf Abruf arbeitet, war über ein Jahrzehnt hinweg ein zentrales Problem in Quantenoptiklaboren – unsere neue Technologie beseitigt nun dieses Hindernis“, sagt Prof. Stefanie Barz.
Der Schlüssel: identische Photonen auf Abruf
Im Alltag sind Alleinstellungsmerkmale oft wünschenswert. Wer will schon genauso sein wie alle anderen? In der Welt der Quantentechnologien hingegen ist vollständige Ununterscheidbarkeit das A und O. Quantenteilchen wie Photonen können nämlich nur dann perfekt miteinander interferieren, wenn sie in all ihren Eigenschaften identisch sind – ähnlich wie bei Kopfhörern mit Geräuschunterdrückung, bei denen nur präzise invertierte Kopien der Umgebungsgeräusche diese auslöschen. In Experimenten mit identischen Photonen kann sich dann beispielsweise die Wahrscheinlichkeit bestimmter Messergebnisse erhöhen oder verringern. Solche Quanteneffekte führen zu wichtigen neuen Phänomenen, die Zukunftstechnologien wie Quantencomputer und Quantennetzwerke erst ermöglichen. Damit solche Technologien realisierbar werden, ist hochwertige Interferenz zwischen Photonen unerlässlich.
Nun präsentieren Nico Hauser, Wissenschaftler an der Universität Stuttgart und Erstautor der Publikation, und seine Kolleg*innen eine Photonenquelle, die für praktische Anwendungen einzigartig geeignet ist: Sie erzeugt Photonen auf Abruf und arbeitet bei einer Wellenlänge, die mit bestehender Telekommunikationsinfrastruktur kompatibel ist.
Hürde Telekommunikation
Damit photonische Quantentechnologien skalierbar werden, müssen sie in die Glasfaserinfrastruktur integriert werden, die das Rückgrat unserer Informationsgesellschaft bildet. In der Praxis bedeutet dies, dass Photonenquellen im Telekommunikations-C-Band bei einer Wellenlänge um 1550 nm arbeiten sollten, wo die optischen Verluste in Glasfasern am geringsten sind. Diese Anforderung stellte lange eine Herausforderung dar: Während Photonenquellen auf Basis von Quantenpunkten – Nanostrukturen, die wie künstliche Atome funktionieren – nahezu ideale Photoneneigenschaften bei kürzeren Wellenlängen (780–960 nm) erreicht haben, erwies sich die Übertragung dieser Ergebnisse auf das Telekommunikationsband als schwierig.
Photonen nach Maß
Die für die Praxis bislang beste Alternative zu Quantenpunkten ist die spontane parametrische Abwärtskonversion (SPDC). Damit lassen sich zwar hochwertige C-Band-Photonen erzeugen, aber auf probabilistische Weise. Das heißt, es ist nicht vorhersagbar, wann genau ein gewünschtes Photon zur Verfügung steht. Damit ist es unmöglich, mehrere Photonen aus verschiedenen Quellen zu synchronisieren, etwa für Anwendungen, bei denen sie gleichzeitig benötigt werden. Sogenannte deterministische Quellen hingegen erzeugen ein Photon, wann immer sie angeregt werden. Quantenpunkt-Bauelemente für C-Band-Photonen existieren zwar; sie erreichten jedoch bestenfalls Zwei-Photonen-Interferenz-Sichtbarkeiten – ein Maß für die Ununterscheidbarkeit – von etwa 72 %. Das liegt deutlich unter dem, was SPDC-Quellen routinemäßig erreichen, und ist unzureichend für anspruchsvolle Quantenanwendungen. „Unser neues Bauelement beseitigt nun dieses Hindernis“, sagt Stefanie Barz.
Auf dem Weg zu skalierbaren Systemen
Die von Hauser et al. entwickelte Photonenquelle besteht aus Indiumarsenid-Quantenpunkten, die in Indium-Aluminium-Gallium-Arsenid eingebettet und in einen zirkularen Bragg-Gitter-Resonator integriert sind, der die Photonenemission verstärkt. Das Team verglich systematisch verschiedene Anregungsschemata und fand, dass die Nutzung von Anregungen, die durch elementare Schwingungen im Kristallgitter vermittelt werden – anstatt die Quantenpunkte mit höherenergetischem Licht zu pumpen – die besten Ergebnisse liefert. In diesem Modus erreichten sie eine Zwei-Photonen-Interferenz-Sichtbarkeit von nahezu 92 %. Dies ist der höchste Wert, der je für eine deterministische Einzelphotonenquelle im Telekommunikations-C-Band erzielt wurde.
Neue Anwendungen für synchronisierte Photonen
Diese Fortschritte bringen deterministische Quantenpunktquellen in dasselbe Leistungsregime wie probabilistische SPDC-Quellen – mit dem entscheidenden Vorteil, dass Photonen auf Abruf erzeugt werden. „Unsere Fähigkeit, einzelne Photonen gleichzeitig deterministisch, im Telekommunikations-C-Band und mit hoher Ununterscheidbarkeit zu erzeugen, wird Anwendungen ermöglichen, die große Mengen synchronisierter Photonen erfordern – von messbasiertem Quantencomputing bis hin zu Quantenrepeatern für die Kommunikation über weite Distanzen“, sagt Hauser.
Von Quantenpunkten zu Quantennetzwerken
Die Publikation entstand aus einer Zusammenarbeit zwischen der Universität Stuttgart und der Julius-Maximilians-Universität Würzburg. Das Würzburger Team unter der Leitung von Prof. Sven Höfling stellte die Quantenpunktprobe her. Die beiden Teams arbeiten im Rahmen des PhotonQ-Projekts zusammen, einem vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) geförderten Konsortium. Unter der Leitung von Prof. Barz entwickelt es die Grundlagen für einen neuartigen photonischen Quantenprozessor. Der Prozessor wird an der Universität Stuttgart aufgebaut und betrieben – wo maßgeschneiderte Photonen das Potenzial des photonischen Quantencomputings erschließen sollen. Die neuen Photonenquellen werden auch die Basis für die Vernetzung mehrerer photonischer Prozessoren für verteiltes Rechnen bilden – eine Vision, die die beiden Teams im ebenfalls vom BMFTR geförderten Projekt Quantenrepeater.Net (QR.N) verfolgen.
Prof. Stefanie Barz, Universität Stuttgart, Institut für Funktionelle Materie und Quantentechnologien & Zentrum für Integrierte Quantenwissenschaft und -technologie (IQST), Tel: +49 711 685 61556, E-Mail: barz@fmq.uni-stuttgart.de
Zur Publikation: Nico Hauser, Matthias Bayerbach, Jochen Kaupp, Yorick Reum, Giora Peniakov, Johannes Michl, Martin Kamp, Tobias Huber-Loyola, Andreas T. Pfenning, Sven Höfling, Stefanie Barz: Deterministic and highly indistinguishable single photons in the telecom C-band. Nature Communications 17, 537 (2026).
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-68336-0
https://www.uni-stuttgart.de/universitaet/aktuelles/meldungen/Photonen-mit-Rekor...
https://www.fmq.uni-stuttgart.de/de/
https://www.iqst.org/
https://www.uni-stuttgart.de/forschung/profil/quantum-technologies/
Nico Hauser (1.v.l.) und weitere Wissenschaftler*innen der Barz Group.
Quelle: Ludmilla Parsyak
Copyright: Barz Group, Universität Stuttgart
Blick ins Quantenoptiklabor der Universität Stuttgart: Hier experimentieren Forschende mit neuen Pho ...
Quelle: Ludmilla Parsyak
Copyright: Barz Group, Universität Stuttgart
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wirtschaftsvertreter, Wissenschaftler
Physik / Astronomie
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
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