Bisherige Chip-Schaltkreise bauen auf Elektronen als Informationsträger aus. Künftig könnten diese Aufgabe auch Photonen übernehmen, die in optischen Schaltkreisen mit Lichtgeschwindigkeit Informationen übermitteln. Als Grundbausteine solcher Chips sind Quantenlichtquellen notwendig, die dann mit Quantenlichtwellenleitern und -detektoren verbunden werden.

Grafische Visualisierung einer Molybdän-Disulfid-Schicht. Fehlstellen in dünnen Molybdänsulfid-Schichten, erzeugt durch Beschuss mit Helium-Ionen, können als Nano-Lichtquellen für die Quantentechnologie dienen.

Grafische Visualisierung einer Molybdän-Disulfid-Schicht. Fehlstellen in dünnen Molybdänsulfid-Schichten, erzeugt durch Beschuss mit Helium-Ionen, können als Nano-Lichtquellen für die Quantentechnologie dienen. TU München

Einem internationalen Team um die TUM-Physiker Alexander Holleitner und Jonathan Finley ist es nun gelungen, solche Quantenlichtquellen in atomar dünnen Materialschichten zu erzeugen und nanometergenau zu platzieren. „Dies stellt einen ersten wichtigen Schritt in Richtung optischer Quantencomputer dar“, sagt Julian Klein, Erstautor der Studie. „Denn für künftige Anwendungen müssen die Lichtquellen an photonische Schaltkreise, etwa an Wellenleiter, gekoppelt werden, um lichtbasierte Quantenberechnungen zu ermöglichen.“ Entscheidend dafür ist eine exakte und präzise steuerbare Platzierung der Lichtquellen. In konventionellen dreidimensionalen Materialien wie Diamant oder Silizium gibt es zwar auch aktive Quantenlichtquellen, allerdings lassen sie sich dort nicht präzise platzieren.

Als Ausgangsmaterial verwendeten die Physiker nun eine nur drei Atomlagen dünne Schicht des Halbleiters Molybdändisulfid (MoS2). Diese bestrahlten sie mit einem Helium-Ionenstrahl, den sie auf eine Fläche von weniger als einem Nanometer fokussierten. Um optisch aktive Defekte, die gewünschten Quantenlichtquellen, zu erzeugen, werden aus der Schicht Molybdän- oder Schwefel-Atome gezielt herausgelöst. Die Fehlstellen sind Fallen für sogenannte Exzitonen, Elektronen-Loch-Paare, die dann die gewünschten Photonen emittieren.

Das Team entwickelte gemeinsam mit Theoretikern der TUM, der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Bremen ein Modell, um die beobachteten Energiezustände der Fehlstellen auch theoretisch zu beschreiben. Zukünftig wollen die Forscher auch komplexere Lichtquellen-Muster erzeugen, etwa in lateralen zweidimensionalen Gitterstrukturen von Exzitonen, um so auch Vielteilchenphänomene oder exotische Materialeigenschaften zu untersuchen.

Doch nicht nur in der Theorie könnte es Fortschritte geben, sondern auch hinsichtlich möglicher technischer Entwicklungen. Da den Lichtquellen immer der gleiche Defekt im Material zugrunde liegt, sind sie prinzipiell ununterscheidbar. Das ermöglicht Anwendungen, die auf dem quantenmechanischen Prinzip der Verschränkung basieren. „Man kann unsere Quantenlichtquellen sehr elegant in photonische Schaltkreise integrieren“, erklärt Klein. „Aufgrund der hohen Empfindlichkeit ließen sich beispielsweise für Smartphones Quanten-Sensoren bauen und extrem sichere Verschlüsselungstechnologien für die Datenübertragung entwickeln.“