Deterministische und hochgradig ununterscheidbare Einzelphotonen im Telekom‑C‑Band

Licht für das Internet der Zukunft

Das heutige Internet überträgt Informationen mit Laserlicht in Glasfasern, doch das zukünftige Quanteninternet wird Ströme einzelner Lichtteilchen — Photonen — benötigen, die in perfekter Weise kontrolliert werden. Diese Studie zeigt, wie man eine winzige Lichtquelle auf einem Chip baut, die zuverlässig jeweils ein photon hoher Qualität zu den gleichen Wellenlängen aussendet, die bereits in Fernnetzwerken verwendet werden, und rückt damit praktikable Quantenkommunikation näher.

Warum Einzelphotonen gleich aussehen müssen

Für viele Quantentechnologien, von extrem sicherer Kommunikation bis zu leistungsfähigen neuen Rechenverfahren, genügt es nicht, Einzelphotonen auf Abruf zu haben; diese Photonen müssen auch nahezu identisch sein. Sind zwei Photonen wirklich ununterscheidbar — gleiche Farbe, gleicher Zeitverlauf und gleiche Form — können sie auf eine Weise miteinander interferieren, die im Alltag nicht vorkommt. Diese „Zwei‑Photonen‑Interferenz“ ist ein grundlegender Baustein für lichtbasierte Quantenlogik. Die Herausforderung bestand darin, eine Quelle zu schaffen, die solche nahezu identischen Photonen im Standard‑Telekom‑C‑Band um 1550 Nanometer erzeugt, wo bestehende Glasfasernetze den geringsten Verlust aufweisen.

Ein winziges künstliches Atom auf einem Chip

Die Autoren nutzen einen Halbleiter‑Quantenpunkt, eine menschengemachte Struktur, die so klein ist, dass sie sich wie ein künstliches Atom verhält. Ihr Bauteil besteht aus Indiumarsenid, eingebettet in ein sorgfältig konzipiertes Umfeld, und sitzt in einem kreisförmigen Bragg‑Gitterresonator, der wie eine mikroskopische Spiegelhöhle wirkt und das ausgesandte Licht nach oben lenkt. Der Chip befindet sich in einem Kryostat bei vier Grad über dem absoluten Nullpunkt und wird mit sehr kurzen Laserpulsen angeregt. Die Forscher leiten die resultierenden Photonen durch Filter und faseroptische Komponenten, um deren Farbe, Zeitverlauf und die Häufigkeit zu analysieren, mit der mehr als ein Photon auf einmal emittiert wird.

Feinabstimmung der Anregung des Punktes

Um die besten Betriebsbedingungen zu finden, vergleicht das Team systematisch vier verschiedene Arten, den Quantenpunkt mit einem Laser anzuregen. Ein Verfahren verwendet einen hochenergetischen Laser, der viele Zustände gleichzeitig anregt, während andere selektivere Wellenlängen nutzen, einschließlich einer Technik, bei der der Laser leicht neben die Haupttransition gestimmt wird und der Quantenpunkt durch Absorption oder Emission von Gitterschwingungen — Phononen — in den richtigen Zustand gelangt. Für jedes Schema messen sie, wie „einzeln“ die Quelle ist, indem sie die Wahrscheinlichkeit für mehr als ein Photon pro Puls betrachten, und wie ununterscheidbar aufeinanderfolgende Photonen sind, indem sie Photonenpaare in einen Strahlteiler schicken und aufzeichnen, wie stark sie interferieren.

Rekordhafte Photonengleichheit erreichen

Das eindrücklichste Ergebnis liefert die phononenunterstützte Anregung. In diesem Regime emittiert das Gerät nahezu keine zusätzlichen Photonen — der Mehrphotonanteil liegt nur bei wenigen Prozent — und vor allem interferieren aufeinanderfolgende Photonen mit einer rohen Sichtbarkeit von über 91 Prozent. Diese Zahl ist ein direkter Indikator dafür, wie ähnlich die Photonen sind, und übertrifft frühere Rekorde für Festkörperemitter bei Telekom‑Wellenlängen. Die Autoren zeigen, dass andere Anregungsmethoden zwar weiterhin gutes Einzelphotonverhalten liefern, aber in der Ununterscheidbarkeit zurückfallen, wahrscheinlich weil sie den Quantenpunkt langsamer und weniger sauber vorbereiten.

Was das für Quanten­netze bedeutet

Einfach gesagt haben die Forschenden eine mikroskopische Lichtquelle gebaut, die nahezu identische Einzelphotonen auf Abruf in der gleichen Farbe liefert, die in heutigen Fernnetzwerken verwendet wird. Indem sie die Photonenqualität komplexerer probabilistischer Quellen erreicht oder übertrifft und dabei deterministisch bleibt — also immer dann ein Photon aussendet, wenn es angefordert wird — schließen sie eine wichtige Leistungs­lücke. Das bringt praktische Quantenkommunikationssysteme und zukünftige lichtbasierte Quantencomputer mit Hardware, die in bestehende Telekom‑Infrastruktur integrierbar ist, näher an die Realität.

Zitation: Hauser, N., Bayerbach, M., Kaupp, J. et al. Deterministic and highly indistinguishable single photons in the telecom C-band. Nat Commun 17, 537 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68336-0

Schlüsselwörter: Einzelphotonquellen, Quantenpunkte, Telekom‑C‑Band, Quantenkommunikation, Photonenununterscheidbarkeit