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News: Photonen auf Abruf

Sobald wir uns dem Licht aussetzen, treffen uns Photonen in übergroßer Zahl. Das ist auch gut so, denn sonst würden wir unsere Umwelt nicht sehen. Anders liegen die Dinge, wenn es um technische Anwendungen geht: Für die Quantenkryptographie sind einzeln freigesetzte Lichtteilchen ideal. Diese lassen sich nun mit einem elektrischen Einzel-Photonen-Generator einfach erzeugen.
Quantenkryptographie heißt das Zauberwort für die sichere Datenübertragung der Zukunft. Sie würde bereits das bloße Lesen von Daten registrieren. Eine Entwicklung von Zhiliang Yuan und seinen Forscherkollegen der University of Cambridge und von Toshiba Research Europe Limited leistet dieser Verschlüsselungsidee jetzt möglicherweise praktischen Vorschub. Die Wissenschaftler realisierten einen Generator, der einzelne Photonen freisetzt. Diese Quanten könnten einmal als Träger digitaler Information dienen.

Der besondere Clou der Neuentwicklung ist der elektrische Antrieb. Bisher arbeitete man mit Laseranregung, um kleine Lichtpakete zu erzeugen. Dabei verursacht die Dauer der Laserpulse jedoch Probleme, denn sie lässt sich nicht beliebig kurz halten. Erste Versuche mit elektrischen Lichtquellen erforderten eine extrem tiefe Arbeitstemperatur im Millikelvin-Bereich, die eine praktische Anwendung erschwert. Yuan und seine Mitarbeiter benutzten hingegen eine lichtemittierende Diode (LED) auf Basis von Halbleitermaterial, die bei fünf Kelvin arbeitet.

Die Forscher versetzten eine Schicht neutralen, so genannten intrinsischen Materials mit Quantenpunkten. Diese Mittelschicht umschlossen sie mit einer negativ dotierten Halbleiterschicht als Deckel und einer positiv dotierten als Boden. Legt man nun an den Außenschichten für sehr kurze Zeit eine Spannung an, so schieben sich positive Ladungsträger (Löcher) aus dem Boden und negative Ladungsträger (Elektronen) aus dem Deckel in die Mittelschicht. Nun kommen die Quantenpunkte ins Spiel: Sie sammeln jeweils ein Elektron und ein Loch. Die beiden Ladungsträger rekombinieren im Quantenpunkt und senden dabei das gewünschte Photon aus. Da sich nur über einem einzigen der Quantenpunkte eine Öffnung befindet, entweicht nur ein Photon nach außen.

Das emittierte Licht lag im Infrarotbereich und sprach damit einen Silicium-Detektor an, der die Photonen einzeln zählte. Die Quantenpunkte könnten jedoch in einem weiten spektralen Bereich modifiziert werden. Besonders interessant sind Wellenlängen um 1,3 Mikrometer, die für Glasfaser-Kommunikation genutzt werden. Als erfreulicher Nebeneffekt ist bei diesen größeren Wellenlängen eine höhere Arbeitstemperatur möglich.

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