Der Quantenphysiker Petr Steindl ist gut darin, mit einzelnen Photonen komplexe Lichtstrukturen zu erzeugen und erforscht die Möglichkeiten der Quantenoptik und ihre Anwendungen in der Technologie. Als Teenager wollte er tschechische Poesie studieren, entschied sich aber letztendlich für ein Studium der Quantenphysik. Kürzlich verteidigte er seine Dissertation über Quantenoptik und Quantenpunktsysteme und erlangte damit seinen Doktortitel. „Rückblickend bin ich froh, dass ich das Fachgebiet gewechselt habe.“
„Einfach ausgedrückt ist ein Quantenpunkt eine Insel aus Halbleitermaterial“, erläutert Steindl das Thema seiner Arbeit. „Da er nur wenige Nanometer groß ist, kann er wie ein Atom Quanteneffekte spüren. Die Forscher platzierten den Quantenpunkt in einem optischen Mikrohohlraum, um ihn effizienter zu manipulieren.
Steindl erklärt, dass sich mit diesem cleveren Gerät einzelne Photonen erzeugen lassen. „Der resonante Laser regt die Elektronen im Quantenpunkt vom Grundzustand in einen höheren Energiezustand an. Wenn das Elektron in den Grundzustand zurückkehrt, sendet der Quantenpunkt ein einzelnes Photon aus. Der Mikrohohlraum leitet dieses Photon bequem zum Rest unseres Geräts Doktortitel.
Die Gewinnung einzelner Photonen ist nur der erste Schritt in der Forschung. „Wenn man einzelne Photonen (Lichtteilchen) von hoher Qualität hat, ist das ein bisschen wie mit Ziegeln“, sagte er über seine Arbeit. „Mit Ziegeln kann man mit dem Bau eines Hauses beginnen. Mein Ziel ist es, einzelne Photonen zu komplexen Lichtstrukturen zu kombinieren. Wir haben zum Beispiel eine Kette aus mehreren verschränkten Photonen erstellt. Verschränkt bedeutet, dass sie so eng miteinander verbunden sind, dass man ein Photon nicht mehr unabhängig voneinander beschreiben kann. Wir wollen diese neuen Lichtzustände besser verstehen.“
Einzelphotonenphysik
Die Einzelphotonenphysik ist ein relativ neues Gebiet. In den 1970er Jahren gelang es Physikern erstmals, ein Photon zu isolieren. Allerdings sind Effizienz und Stabilität dieser Einzelphotonenquellen noch nicht hoch. Technologische Entwicklungen wie der Einsatz von Quantenpunkten in optischen Mikrokavitäten haben es einfacher gemacht, die Erzeugung einzelner Photonen zu steuern. Ein weiterer Vorteil von Mikrokavitäten besteht darin, dass die Photonen mit einer höheren Geschwindigkeit emittiert werden und somit ihren Zustand besser beibehalten. Dadurch entstehen hochwertige Einzelphotonen, ideal für die von Steindl untersuchten Strukturen.
Steindls Vision ist es, diese neuen Lichtstrukturen irgendwann für die Quantenkommunikation zu nutzen: „Wir wissen, dass einzelne Photonen im Hinblick auf Sicherheit und Authentifizierung sehr nützlich sind. Man kann zum Beispiel zwei identische einzelne Photonen von unterschiedlichen Positionen in einem Spektroskop senden Ich finde es absolut erstaunlich, dass wir die Physik auf einer so tiefen Ebene verstehen können. Das Potenzial für Quantenanwendungen ist für mich zwar ein großer Schritt, aber es reicht aus, um mich mehrere Jahre lang zu begeistern.