Neue Technologie derQuantenphotodetektor
Der weltweit kleinste Siliziumchip-QuantenFotodetektor
Kürzlich gelang einem britischen Forschungsteam ein wichtiger Durchbruch bei der Miniaturisierung der Quantentechnologie: Es gelang, den weltweit kleinsten Quantenphotodetektor in einen Siliziumchip zu integrieren. Die Arbeit mit dem Titel „Ein Bi-CMOS-elektronischer photonischer integrierter Schaltkreis für Quantenlichtdetektoren“ wurde in Science Advances veröffentlicht. In den 1960er Jahren miniaturisierten Wissenschaftler und Ingenieure erstmals Transistoren auf kostengünstige Mikrochips – eine Innovation, die das Informationszeitalter einläutete. Nun haben Wissenschaftler erstmals die Integration von Quantenphotodetektoren, dünner als ein menschliches Haar, auf einen Siliziumchip demonstriert und uns damit einem Zeitalter der Quantentechnologie, die Licht nutzt, einen Schritt näher gebracht. Um die nächste Generation fortschrittlicher Informationstechnologie zu realisieren, bildet die Massenproduktion leistungsstarker elektronischer und photonischer Geräte die Grundlage. Die Fertigung von Quantentechnologie in bestehenden kommerziellen Anlagen stellt eine ständige Herausforderung für die universitäre Forschung und Unternehmen weltweit dar. Die Fähigkeit, leistungsstarke Quantenhardware in großem Maßstab herzustellen, ist für das Quantencomputing von entscheidender Bedeutung, da selbst der Bau eines Quantencomputers eine große Anzahl von Komponenten erfordert.
Forscher in Großbritannien haben einen Quantenphotodetektor mit einer integrierten Schaltkreisfläche von nur 80 mal 220 Mikrometern vorgestellt. Diese geringe Größe ermöglicht Quantenphotodetektoren eine hohe Geschwindigkeit, die für die Erschließung von Hochgeschwindigkeits-Quantenkommunikationund ermöglicht den Hochgeschwindigkeitsbetrieb optischer Quantencomputer. Der Einsatz etablierter und kommerziell verfügbarer Fertigungstechniken erleichtert die frühzeitige Anwendung in anderen Technologiebereichen wie Sensorik und Kommunikation. Solche Detektoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen der Quantenoptik eingesetzt, können bei Raumtemperatur betrieben werden und eignen sich für die Quantenkommunikation, hochempfindliche Sensoren wie hochmoderne Gravitationswellendetektoren und die Entwicklung bestimmter Quantencomputer.
Obwohl diese Detektoren schnell und klein sind, sind sie auch sehr empfindlich. Der Schlüssel zur Messung von Quantenlicht ist die Empfindlichkeit gegenüber Quantenrauschen. Die Quantenmechanik erzeugt in allen optischen Systemen winzige Grundrauschpegel. Das Verhalten dieses Rauschens gibt Aufschluss über die Art des im System übertragenen Quantenlichts, kann die Empfindlichkeit des optischen Sensors bestimmen und zur mathematischen Rekonstruktion des Quantenzustands genutzt werden. Die Studie zeigte, dass die Verkleinerung und Geschwindigkeit des optischen Detektors dessen Empfindlichkeit bei der Messung von Quantenzuständen nicht beeinträchtigte. Zukünftig planen die Forscher, weitere bahnbrechende Quantentechnologie-Hardware in den Chip-Maßstab zu integrieren und die Effizienz der neuenoptischer Detektorund in verschiedenen Anwendungen testen. Um den Detektor einer breiteren Öffentlichkeit zugänglich zu machen, fertigte das Forschungsteam ihn mit handelsüblichen Fountainern. Das Team betont jedoch, dass es entscheidend ist, die Herausforderungen der skalierbaren Fertigung mit Quantentechnologie weiter zu bewältigen. Ohne den Nachweis einer wirklich skalierbaren Quantenhardware-Fertigung werden sich die Auswirkungen und Vorteile der Quantentechnologie verzögern und begrenzen. Dieser Durchbruch markiert einen wichtigen Schritt hin zu großflächigen Anwendungen vonQuantentechnologie, und die Zukunft des Quantencomputings und der Quantenkommunikation steckt voller endloser Möglichkeiten.
Abbildung 2: Schematische Darstellung des Geräteprinzips.
Veröffentlichungszeit: 03.12.2024