Hundertprozentige Datensicherheit gibt es auf dem Gebiet der Quanteninformation, der Signalübertragung mit einzelnen Lichtteilchen. Nun haben Wissenschaftler um Christoph Becher von der Universität des Saarlandes einen winzigen Lichtspeicher aus Diamant hergestellt, mit dem sie die Erzeugung von Einzelphotonen deutlich steigern konnten. Die Herstellung der Resonatoren auf der Nanometerskala erfolgte in einer interdisziplinären Kooperation mit Saarbrücker Materialwissenschaftlern und Physikern der Universitäten Kaiserslautern, Augsburg und Freiburg.

Der Diamant, den die Forscher verwendeten, wird künstlich hergestellt und hat annähernd ideale Eigenschaften, was Reinheit und Transparenz angeht. Zur Fabrikation dieser Lichtkäfige wurde zuerst eine nur 300 Nanometer dünne Membran präpariert. Um den Diamanten für das ausgesandte Licht hochreflektierend zu machen und so die Erzeugungsrate der Photonen massiv zu erhöhen, verwendeten die Wissenschaftler eine photonische Kristallstruktur. Dazu haben sie in die Diamantmembran Löcher mit etwa 80 Nanometern Durchmesser „gebohrt“. Durch Bragg-Reflexionen an den Lochseitenwänden werden die von Atomen im Diamant ausgesandten Lichtteilchen, also die Informationsträger, wie in einem Käfig in der Mitte der Lochstruktur gespeichert.

Die Photonen selbst erzeugten die Wissenschaftler mit Farbzentren – Fremdatome, die fest in das Kristallgitter des Diamanten eingebettet sind. Im Gegensatz zu „echten“ Atomen sind diese Farbzentren deutlich einfacher zu handhaben und erfordern weder aufwändige Vakuumanlagen noch komplizierte Kühlmechanismen um Lichtteilchen mit den gewünschten Eigenschaften auszusenden.

Nanoresonatoren gelten als essentiell für die künftige Nutzung von Farbzentren für die Quanteninformationsübertragung sowie für die Integration mehrerer Komponenten, um Lichtteilchen auf einem einzigen Chip zu erzeugen und zu übertragen. Das grundlegende Konzept der Saarbrücker Physiker bildet die Basis für zukünftige Experimente, in denen die Emission der Photonen kontrolliert, ihre Eigenschaften beeinflusst und Lichtteilchen mehrerer entfernter Farbzentren miteinander in Wechselwirkung gebracht werden sollen (Quelle: Universität des Saarlandes).

Das Nano+Bio Center der TU Kaiserslautern wurde zum 1. Oktober 2011 in Nano Structuring Center umbenannt. www.nsc.uni-kl.de.

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    Das Bild zeigt einen Diamantsteg mit photonischer Kristallstruktur. Diese Diamant-Lichtspeicher könnten eine wichtige Komponente für die Quantenkommunikation in der Zukunft werden / Foto: Kevin Streit

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