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Kurzfassung

In dem letzten Jahrzehnt ist das Forschungsgebiet der integrierten photonischen Quantenschaltkreise stark aufgeblüht. Im Herzen dieser Quantenschaltkreise liegen einzelne Photonen und verschränkte Photonenpaare. Epitaktisch gewachsene Halbleiter Quantenpunkte haben sich zu hervorragenden Quellen solcher Photonen entwickelt und können dank ihrer Wachstumsart auf den photonischen Chips direkt in Mikro-/Nanostrukturen integriert werden, woraus letztendlich Quantenschaltkreise mit Hilfe der in der Halbleiterindustrie standardmäßig eingesetzten Herstellungsverfahren erzeugt werden können.

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Hintergrund

Epitaktisch gewachsene Quantenpunkte sind auf dem Chip statistisch verteilt – sowohl was den Ort angeht als auch die Symmetrie sowie der Emissionscharakteristiken. Unterschiedliche Emissionscharakteristiken werden durch Unterschiede in der Wellenlänge der abgestrahlten Photonen von den individuellen Quantenpunkten deutlich. Die Symmetrie ist ein wichtiger Punkt, wenn es um die Erzeugung von sog. „verschränkten“ Photonenpaaren geht, denn eine Reduktion der Symmetrie geht mit einer Reduktion der Verschränkung von den erzeugten Photonen einher. Es bedarf folglich einer „Tuning“-Möglichkeit, um diese Unterschiede zu eliminieren. Ebenfalls können bzw. müssen andere Arten von Einzelphotonenemitter getuned werden, welche ebenfalls in photonische Mikro-/Nanostrukturen integriert werden können. Das sog. „strain-tuning“ ist eine Möglichkeit, um diese Imperfektion in der Symmetrie auszugleichen und um die Wellenlänge des abgestrahlten Lichtes zu steuern. Dabei wird typischerweise ein piezoelektrisches Material verwendet, auf welches der Chip geklebt wird, sodass es einen Spannungsübertrag gibt.

Damit lassen sich alle Quantenpunkte und integrierte Einzelphotonenquellen sonstiger Art in dem Chip gleichermaßen tunen/steuern, jedoch nicht individuell, sodass die Quantenpunkte/Einzelphotonenquellen nicht individuell aufeinander abgestimmt werden können, um sie in der Wellenlänge der abgestrahlten Photonen anzugleichen. Bisher gab es für dieses Problem noch keine Lösung, ist allerdings notwendig zum Hochskalieren der Komplexität der integrierten quanten-optischen Schaltkreise. Dieses Problem wird durch die hier vorgestellte Erfindung eliminiert.

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Lösung

Um einzelne Quantenpunkte/Einzelphotonenquellen individuell anzusteuern, bedarf es eines strukturierten Tunings. Die Idee hierbei ist, statt einem „Bulk“ piezoelektrischen Material, welches einfach angeklebt wird, einen Dünnschicht-piezoaktuator (thin-film PMNPT) zu verwenden, dessen Dicke kleiner als 50 Mikrometer ist. Dies ermöglicht die Strukturierung des Piezoaktuators mit den aus der Halbleiterbranche üblichen Herstellungsverfahren. Dabei soll die piezoelektrische Schicht bis auf die angrenzende Goldschicht heruntergeätzt werden, damit ein Graben frei wird, das zur „Isolierung“ mit einem Puffer gefüllt wird. Eine Herausforderung hierin besteht, bei vielen Quantenpunkten (die Quantenpunktdichte beträgt typischerweise 10 Stück pro Quadratmikrometer) bzw. Einzelphotonenquellen auch wirklich alle Goldkontakte und somit die piezoelektrischen Schichten anzusteuern. Dafür können Dünnfilmtransistoren als Matrix verwendet werden. Diese lassen sich nicht nur beschränken auf das strain-tuning, sondern können ebenfalls verwendet werden für ein Tunen des elektrischen Feldes, bei dem statt dem mechanischen Stress einfach das durch die angelegte Spannung in den Verbindungen/Transistoren erzeugte elektrische Feld die Einzelphotonenquellen tuned. Das Kontaktieren zwischen den Goldpads und den Ansteuerelementen kann durch sog. Bonden umgesetzt werden. Alternativ können bei weniger angesteuerten Quantenpunkten zunächst zu den Goldkontakten einfache Leitungen gelegt werden, um die Ansteuerung im ersten Schritt einfacher zu gestalten.

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Vorteile

Die Ansteuerung von Quantenpunkten/Einzelphotonenquellen kann beliebig hochskaliert werden, so dass beliebig viele Quantenpunkte/Einzelphotonenquellen auf einem Chip individuell getuned werden

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Anwendungsbereiche

Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Technologie ist die Quantentechnologie, insbesondere der Bereich der integrierten photonischen Quantenschaltkreise.

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Service

individuelle Ansteuerung, Quantenpunkt, Quantenschaltkreis, Tuning