Mit dem Glasfaserausbau steigt nicht nur die Bandbreite herkömmlicher Internetanschlüsse, sondern auch die Realisierung eines globalen Quanteninternets rückt näher. Dieses verspricht etwa ein wesentlich leistungsstärkeres Quantencomputing durch die Verknüpfung von Quantenprozessoren und -registern, sicherere Kommunikation durch Quantenschlüsselverteilung oder präzisere Zeitmessungen durch die Synchronisierung von Atomuhren.
Eine Hürde auf dem Weg bilden Differenzen zwischen dem Glaserfaserstandard von 1.550nm und den Systemwellenlängen der verschiedenen, bisher realisierten Quantenbits (Qubits), die meist im sichtbaren oder nahinfraroten Spektralbereich liegen. Forschende wollen diese Hürden mithilfe der Quantenfrequenzkonversion überwinden. Diese kann die Frequenzen von Photonen gezielt verändern und dabei alle anderen Quanteneigenschaften erhalten. Dies ermöglicht die Umwandlung in den 1.550nm-Telekombereich für eine verlustarme und langreichweitige Übertragung der Quantenzustände.
Das Projekt ’HiFi’
In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojekt ’HiFi – Hochintegrierter Quantenfrequenzkonverter höchster Fidelität auf Basis innovativer Laser-, Faser- und Produktionstechnologie’ arbeiten Forschende an den nötigen Technologien, um Quantenfrequenzkonverter (QFK) mit hoher Effizienz und geringem Rauschen für erste Teststrecken zur Verfügung zu stellen. Ein Team des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF hat im Rahmen des Projekts Scheibenlaser (auch: vertical-external-cavity surface-emitting-laser, VECSEL) auf Basis von Galliumantimonid (GaSb) entwickelt. Es handelt sich um optisch gepumpte, oberflächenemittierende Halbleiterlaser mit externem Resonator und Intracavity-Filter für die Wellenlängenselektion.
Die Funktionsweise
„Die von uns im Projekt entwickelten Scheibenlaser sind spektral schmalbandige Pumpquellen, die je nach verwendeter Ausgangswellenlänge der Qubits gezielt eine Wellenlänge zwischen 1,9 und 2,5µm abdecken und bei einer Stabilität der absoluten Wellenlänge von unter 2fm bis zu 2,4W Ausgangsleistung erreichen. Das entspricht einer Frequenzstabilität von unter 100kHz und unterschreitet klar die Frequenzstabilitätsklasse 1E-9. Dieses Ergebnis stellt einen internationalen Bestwert für diese Laser-Art dar“, sagt Dr. Marcel Rattunde, ’HiFi’-Teilprojektkoordinator und Abteilungsleiter für Optoelektronik am Fraunhofer IAF.
„Ermöglicht hat das Ergebnis die enge Kooperation mit dem Projektpartner Menlo Systems. Gemeinsam haben wir den Scheibenlaser auf einen Frequenzkamm gelockt, der wiederum an eine 10-MHz-Referenz gekoppelt war“, sagt Rattunde.
Bei ihren Versuchen haben die Forschenden die Emissionswellenlänge exakt auf die Zielwellenlänge für Demonstrationsexperimente an der Faserstrecke der Universität des Saarlandes eingestellt (2.062,40nm), an die das Fraunhofer IAF das Lasermodul mittlerweile übergeben hat. Neben der Leistungsskalierung bilden das genaue Verständnis des Modenverhaltens der Laser sowie die Identifizierung und Elimination der Rauschquellen die wichtigsten Forschungsaufgaben des Fraunhofer IAF im Projekt.
Voraussetzungen erfüllt
Bei der Quantenfrequenzkonversion wird durch einen Differenzfrequenzprozess in einem nichtlinearen optischen Kristall die Energie des Pumpphotons vom Signalphoton abgezogen. Um einen rauscharmen Prozess zu gewährleisten, muss dabei die Energie der Pumpphotonen unterhalb der Zielwellenlänge (meist 1.550nm) liegen, da sonst der Pumplaser durch parasitäre Effekte Photonen im Ausgangssignal erzeugen kann.
Wie die Forschenden mitteilen, erfüllen die Scheibenlaser in Kombination mit dem Frequenzkamm die hohen Anforderungen der Quantenfrequenzkonversion, da ihre Schmalbandigkeit und Wellenlängenstabilität Fluktuationen der Pumpwellenlänge und folglich Veränderungen der Zielwellenlänge der Qubits verhindern. Bei einer Abweichung oberhalb der natürlichen Linienbreite wäre die Ununterscheidbarkeit der Qubits nicht mehr gegeben, wodurch eine Grundvoraussetzung für die nachfolgende quantenmechanische Verarbeitung wegfiele.
