Die Quelle wurde in Würzburg entwickelt und in Stuttgart umfassend charakterisiert – ein entscheidender Schritt hin zu skalierbaren photonischen Quantenprozessoren und leistungsfähigen Quantennetzwerken.
„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 Stefanie Barz, Professorin für Quanteninformation und -technologie an der Universität Stuttgart.
Identische Photonen als Schlüsselressource
Für viele Anwendungen der Quantentechnologien ist es entscheidend, dass Photonen in all ihren Eigenschaften vollkommen identisch sind. Nur dann lassen sich die Interferenzeffekte nutzen, die etwa für Quantencomputer, Quantennetzwerke oder Quantenrepeater benötigt werden. Die neue Quelle liefert solche Photonen deterministisch und mit einer Reinheit und Stabilität, die bislang im Telekommunikationsband nicht erreichbar war. Damit wird eine zentrale Voraussetzung für skalierbare photonische Architekturen erfüllt.
Für die Integration photonischer Quantentechnologien in bestehende Glasfasernetze müssen Quellen im Telekommunikations‑C‑Band arbeiten, wo optische Verluste minimal sind. Während Quantenpunkte bei kürzeren Wellenlängen bereits nahezu ideale Photoneneigenschaften liefern, erwies sich die Übertragung dieser Leistungsfähigkeit auf Nanometer als große Herausforderung. Bisherige C‑Band‑Quantenpunktquellen erreichten Interferenzsichtbarkeiten von höchstens rund 72 Prozent und damit zu wenig für anspruchsvolle Anwendungen.
Photonen nach Maß – deterministisch und kompatibel mit Glasfaser
Die neue Quelle überwindet diese Einschränkungen. Sie basiert auf Indiumarsenid‑Quantenpunkten, eingebettet in eine maßgeschneiderte Resonatorstruktur, die die Emission verstärkt und präzise kontrollierbar macht. Anders als probabilistische SPDC‑Quellen (SPDC: engl. für spontane parametrische Abwärtskonversation) erzeugt das Bauelement Photonen deterministisch: Ein Photon wird immer dann bereitgestellt, wenn es benötigt wird. Damit lassen sich mehrere Quellen synchron betreiben, eine Voraussetzung für skalierbare Quantenarchitekturen.
Das Stuttgarter Team untersuchte verschiedene Anregungsschemata und identifizierte einen Betriebsmodus, der durch phononvermittelte Anregung besonders stabile und reine Photonen liefert. In diesem Modus erreichte die Quelle eine Zwei‑Photonen‑Interferenz‑Sichtbarkeit von nahezu 92 Prozent – ein Rekordwert für deterministische Quellen im C‑Band und ein entscheidender Schritt hin zu komplexen photonischen Quantenprozessoren.
„Die Quelle basiert auf einer Technologieplattform, die wir in Würzburg über Jahre hinweg erforscht und vorangetrieben haben. Ihre Demonstration im PhotonQ‑Konsortium zeigt, wie wichtig eine verlässliche Bauelementbasis für skalierbare photonische Quantenprozessoren ist“, so Dr. Andreas Pfenning, Universität Würzburg.
Das Würzburger Team unter der Leitung von Professor Sven Höfling, Inhaber des Lehrstuhls für Technische Physik, verantwortete die Entwicklung des vollständigen Bauelements, von der Epitaxie über das Resonatordesign bis zur Nanofabrikation. Die wissenschaftliche Umsetzung und die tägliche Projektleitung lagen dabei in den Händen von Andreas Pfenning und seinem Team.
Neue Anwendungen für synchronisierte Photonen
Mit der Kombination aus deterministischer Erzeugung, hoher Ununterscheidbarkeit und Telekommunikationswellenlänge eröffnet die Quelle neue Möglichkeiten für photonische Quantentechnologien. Anwendungen reichen von messbasiertem Quantencomputing über Multiphoton‑Experimente bis hin zu Quantenrepeatern, die für die Kommunikation über große Distanzen benötigt 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 Nico Hauser von der Universität Stuttgart.
Die Ergebnisse entstanden im Rahmen des vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) geförderten PhotonQ‑Konsortiums. Das Konsortium wird von der Universität Stuttgart koordiniert und entwickelt gemeinsam die Grundlagen für einen neuartigen photonischen Quantenprozessor, der in Stuttgart aufgebaut und betrieben wird.
„Dieses Ergebnis ist ein wichtiger Meilenstein unserer langfristigen Forschungsagenda in Würzburg. Die Zusammenarbeit im PhotonQ‑Konsortium ermöglicht es uns, unsere Bauelemente in anspruchsvollen Systemarchitekturen einzusetzen und gemeinsam weiterzuentwickeln“, hebt Sven Höfling hervor.
Die nun präsentierte Quelle bildet zudem eine zentrale technologische Grundlage für das ebenfalls vom BMFTR geförderte Projekt Quantenrepeater.Net (QR.N), in dem die Teams aus Stuttgart und Würzburg gemeinsam an der Vernetzung photonischer Quantenprozessoren arbeiten.
Originalpublikation
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
Kontakt
Prof. Dr. Sven Höfling, Lehrstuhl für Technische Physik, T +49 931 31-83613, sven.hoefling@uni-wuerzburg.de
