Supraleitende Einzelphotonendetektoren
PTB baut Messsystem zur Charakterisierung von Photonenemittern
Seit vielen Jahren ist die PTB führend bei der Entwicklung hochempfindlicher Stromsensoren auf der Basis von SQUIDs (Superconducting QUantum Interference Devices). PTB-SQUID-Stromsensoren als wesentliche Bestandteile von supraleitendenden Mikrokalorimetern wurden kürzlich erfolgreich eingesetzt, um neuartige Einzelphotonen-Emitter und Mikrolaser für die Quantenoptik zu charakterisieren.
Einzelphotonenquellen im optischen und nah-infraroten Wellenlängenbereich sind wesentliche Komponenten für Verfahren der optischen Quantenkommunikation. Eine vielversprechende Methode, um Quellen für einzelne oder wenige Photonen herzustellen, verwendet Quantenpunkt-Mikroresonatorstukturen. Je besser man dabei die Emissionsstatistik dieser Quellen kennt, desto genauer lässt sich ihr Verhalten in verschiedenen Konfigurationen und unter variierenden Betriebsbedingungen verstehen.
Im Rahmen eines derzeit laufenden europäischen Forschungsprojekts zur optischen Einzelphotonen-Metrologie arbeitet die PTB mit der Technischen Universität Berlin zusammen, wo Einzelphotonenemitter und Mikrolaser auf der Basis selbstorganisierter InAs/GaAs-Quantenpunkte entwickelt werden. In der PTB wurde ein Messsystem zur Charakterisierung von Quellen einzelner oder weniger Photonen mit Wellenlängen im Bereich von 800 nm bis 1000 nm aufgebaut, das auf der kalorimetrischen Detektion der Absorption der von den Quellen emittierten Photonen basiert. Dabei kommen supraleitendende Mikrokalorimeter zum Einsatz, sogenannte Transition Edge Sensors (TES), die vom National Institute of Standards and Technology (NIST, USA) entwickelt wurden. Allerdings lässt sich damit erst durch die Kombination mit den hochempfindlichen PTB-SQUID-Stromsensoren zur Auslesung die Anzahl der absorbierten Einzelphotonen genau bestimmen.
Die Detektoren werden in einem kompakten Tieftemperaturkühler bei unter 100 mK betrieben. Optische Lichtwellenleiter sorgen dafür, dass das Licht der Quellen effektiv an die Detektoren gekoppelt wird. Das neue Messsystem ist eine Weiterentwicklung eines Aufbaus, der bereits erfolgreich an der Österreichischen Akademie der Wissenschaften für ein sogenanntes schlupflochfreies Bell-Experiment mit verschränkten optischen Photonen eingesetzt worden ist. Mit den verwendeten TES/SQUID-Detektoren lassen sich direkt die Photonenanzahlverteilungen der InAs/GaAs-Quantenpunkt-Quellen in einem Bereich bis ca. 20 Photonen bestimmen. Aus den gemessenen Verteilungen können dann die Anteile von thermischem und kohärentem Licht und daraus dann wiederum die zeitlichen Korrelationsfunktionen höherer Ordnung ermittelt werden. Dies ermöglicht die Charakterisierung von Quantenpunkt-Mikrolasern unter variierenden Betriebsbedingungen, z. B. die Identifizierung von sogenanntem Mode Switching oder kollektiver spontaner Emission. Mit dem Messsystem wurden bereits auch Ein- und Zwei-Photonen-Zustände eines Einzel-Quantenpunkt-Emitters direkt nachgewiesen.
Abbildung:
links: TES/SQUID-Detektormodul (Innenansicht des Kryostaten ohne Strahlungsschirme): Innerhalb einer supraleitenden magnetischen Schirmung aus Titan befinden sich zwei TES-Mikrokalorimeter mit SQUID-Stromsensoren zu deren elektrischer Auslesung. Die Detektoren werden bei 100 mK betrieben und sind mit Lichtwellenleitern verbunden, die von Raumtemperatur im Kryostaten geführt werden und an der Titan-Schirmung thermisch geankert sind.
rechts: Photonenanzahl-Verteilung eines Quantenpunkt-Mikrolasers mit einer Emissionswellenlänge von 850 nm, gemessen mit dem TES/SQUID-Messsystem: a) Die Photonenanzahlverteilung entspricht einer Poissonverteilung und kennzeichnet die kohärente Emission der Quelle. b) Die lineare Kombination einer geometrischen und einer Poissonverteilung zeigt sowohl thermische als auch kohärente Emission der Quelle an und ist charakteristische für sogenanntes Mode Switching.
Publikation:
A bright triggered twin-photon source in the solid state
T. Heindel, A. Thoma, M. von Helversen, M. Schmidt, A. Schlehahn, M. Gschrey, P. Schnauber, J. -H. Schulze, A. Strittmatter, J. Beyer, S. Rodt, A. Carmele, A. Knorr & S. Reitzenstein
Nature Communications 8, Article number: 14870 (2017), doi: 10.1038/ncomms14870
Ansprechpartner:
J. Beyer
Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Abteilung 7.21 Kryosensoren
E-Mail: Joern.Beyer(at)ptb.de