Neue Anwendungen für Mikrolaser in der Quanten-Nanophotonik

Schematische Darstellung des Experiments: Das Licht des elektrisch gepulsten Mikrolasers (links) wird über eine Glasfaser zur Einzelphotonenquelle (rechts) geführt. Es erzeugt dort einzelne Photonen, die über einen Polarisationsfilter präzise vom Laserlicht getrennt werden müssen. (© Sören Kreinberg/TU Berlin)

Die Wissenschaft rund um Mikro- und Nanolaser erlebt einen weltweiten Hype.  In der Regel beschäftigen sich die Forscher und Forscherinnen vor allem mit der grundlegenden Physik dieser Laser. Welchen möglichen Nutzen diese extrem kleinen Laser in der Anwendung mal haben werden, ist dagegen noch unklar. „Die Tatsache, dass es noch keine oder kaum mögliche Anwendungen für Mikrolaser gibt, liegt unter anderem daran, dass sie nur eine sehr geringe optische Leistung emittieren. Es wären zum Beispiel 1000 Mikrolaser notwendig, um die Leistung eines Laserpointers zu erreichen“, erklärt Prof. Dr. Stephan Reitzenstein vom Fachgebiet „Optoelectronics and Quantum Devices“ am Institut für Festkörperphysik der TU Berlin. „Interessant könnten allerdings Anwendungen sein, bei denen man nur sehr wenig Licht benötigt. Genau dies ist bei dem Betrieb einer Einzelphotonenquelle der Fall.“ Der Arbeitsgruppe um Stephan Reitzenstein ist es im Rahmen seines ERC Consolidator Grants erstmals gelungen, einen sogenannten „proof of principle“ zu erbringen, dass man einen Mikrolaser nutzen kann, um eine Einzelphotonenquelle anzuregen, Photonen zu emittieren. „Nicht zuletzt konnten wir so auch zwei Communities innerhalb der Physik vereinigen: zum einen die Wissenschaft rund um Mikrolaser sowie die rund um Einzelphotonenquellen.“

Übergeordnetes Ziel dieses Experimentes ist unter anderem der Einsatz von Mikrolasern in der abhörsicheren Quantenkommunikation. In der jetzt veröffentlichten Arbeit befanden sich der Mikrolaser und die Einzelphotonenquelle in zwei verschiedenen Räumen - jeweils in einem separaten Kryostaten bei wenigen 10 Kelvin - und waren über eine Glasfaser miteinander verbunden. „Nach diesem ‚proof of principle‘ muss es in dem nächsten Schritt darum gehen, beide Komponenten ‚on chip‘ zu vereinigen. Also Mikrolaser und Einzelphotonenquelle nicht in unterschiedlichen Räumen, sondern auf dem gleichen, wenige Mikrometer großen Chipbereich unterzubringen“, so Stephan Reitzenstein.

Die Herausforderung bei diesem Experiment lag unter anderem darin, eindeutig zu beweisen, dass die am Ausgang des Experiments gemessenen Photonen auch tatsächlich aus der Einzelphotonenquelle stammen - und nicht etwa von dem Mikrolaser. In der Regel emittiert ein Quantenpunkt (Einzelphotonenquelle) bei einer bestimmten Wellenlänge - zum Beispiel 830 Nanometer und der Laser bei einer anderen Wellenlänge - zum Beispiel bei 700 Nanometer. In dem Fall ist die Unterscheidung der Photonen vergleichsweise einfach. „In unserem Fall müssen Quantenpunkt und Mikrolaser aber auf der exakt identischen Wellenlänge emittieren. Problem: Der Mikrolaser sendet ungefähr eine Million mal mehr Photonen als der Quantenpunkt. Da ist es entscheidend nachzuweisen, dass die gemessenen Photonen am Ende des Experimentes tatsächlich von der Einzelphotonenquelle stammen und nicht etwa von dem Laser“, beschreibt Stephan Reitzenstein. Dafür entwickelte sein Doktorand Sören Kreinberg einen speziellen optischen Aufbau, mit dem es gelingt, die Photonen anhand ihrer Polarisation voneinander zu trennen. Das Laserlicht hat zum Beispiel eine horizontale Polarisation. Damit wird der Quantenpunkt angeregt. Dagegen emittiert der Quantenpunkt unter anderem auch Photonen mit vertikaler Polarisation. „Diesen Filter, der nur Photonen mit einer vertikalen Polarisation ‚durchlässt‘, schalten wir hinter den Quantenpunkt. So können wir eindeutig belegen, dass die detektierten Photonen von dem Quantenpunkt stammen müssen.“

Eine andere wichtige Herausforderung bestand darin, überhaupt einen Mikrolaser, die in Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Sven Höfling an der Universität Würzburg entwickelt und hergestellt wurden, mit einer konstant definierten Wellenlänge und die dazu passende Einzelphotonenquelle zu finden. „Im Gegensatz zu einem normalen Laser besitzt ein Mikrolaser kein ‚Rädchen‘, an dem man drehen kann, um die richtige Wellenlänge einzustellen. Jeder Mikrolaser emittiert Licht einer bestimmten Wellenlänge, die von Exemplar zu Exemplar um bis zu zehn Nanometer variieren kann. Wir brauchen aber einen Laser, der 100%ig exakt immer auf der gleichen Wellenlänge emittiert wie unsere Einzelphotonenquelle. Dazu mussten meine Mitarbeiter Sören Kreinberg und Tomislav Grbešić hunderte von Mikrolasern testen und analysieren“, so Stephan Reitzenstein. Der Grund warum Mikrolaser und Einzelphotonenquelle so exakt harmonieren müssen, liegt in der möglichen Anwendung in der Quantenkommunikation: „Wird der Quantenpunkt durch Licht unterschiedlicher Wellenlänge angeregt, emittiert er auch Photonen mit leicht unterschiedlichen Eigenschaften. Diese wären für eine potentielle Quantenkommunikation nicht zu gebrauchen.“

Quantum-optical spectroscopy of a two-level system using an electrically driven micropillar laser as a resonant excitation source
Sören Kreinberg, Tomislav Grbešić, Max Strauß, Alexander Carmele, Monika Emmerling, Christian Schneider, Sven Höfling, Xavier Porte and Stephan Reitzenstein
Light: Science & Applications (2018) 7,doi: 10.1038/s41377-018-0045-6