Professor Stephan Reitzenstein vor der Probenkammer der Elektronenstrahl-Lithographieanlage, mit der hochpräzise Nanostrukturen für skalierbare Quantenlichtquellen der nächsten Generation hergestellt werden.
Felix Noak
Stellen Sie sich vor, Sie müssten ein hochmodernes Smartphone bauen, bei dem die wichtigsten Bauteile nach dem Zufallsprinzip irgendwo auf der Platine erscheinen. Man müsste jedes einzelne Teil mühsam suchen und die restliche Elektronik drumherum planen. Was wie ein logistischer Albtraum klingt, war bis vor kurzem bittere Realität in der Quantentechnologie. Oder wie es John Martinis, Nobelpreisträger für Physik 2025, kürzlich formulierte: „Wir bauen Qubits derzeit noch auf eine fast schon handwerkliche Art“.
Doch Wissenschaftlern der TU Berlin scheint nun ein Durchbruch gelungen zu sein. Er könnte den Weg für die Serienfertigung von Quantenchips ebnen. Bisher war die Herstellung von optischen Quantenchips – den Herzstücken künftiger Quantencomputer und abhörsicherer Kommunikation – ein mühsamer Prozess.
Schluss mit dem Zufall
Die benötigten Lichtquellen, sogenannte Halbleiter-Quantenpunkte, entstanden beim Wachstum bislang rein zufällig auf dem Chip. Forscher mussten diese künstlichen Atome erst aufwendig lokalisieren, bevor sie die nanophotonischen Strukturen für die Lichtleitung passgenau um sie herum fertigen konnten. „Für einzelne Laborexperimente war dieses Vorgehen erfolgreich. Doch für die Herstellung vieler vergleichbarer Lichtquellen auf einem Chip wurde die zufällige Position zum zentralen Engpass“, erklärt Kartik Gaur, der die neuen Bauelemente im Rahmen seiner Doktorarbeit entwickelte.
Dem Team um Professor Stephan Reitzenstein an der TU gelang es – in Kooperation mit der Universität Oldenburg –, eine Architektur zu entwickeln, die dem Zufall keine Chance mehr lässt. Der Clou der Methode liegt tief im Inneren des Chips: Eine spezielle, verborgene Schicht erzeugt präzise Materialspannungen, sogenannte Stressoren, an der Oberfläche.
36 von 36 Treffern
Diese Spannungen fungieren wie ein Bauplan für die Natur. Die Quantenpunkte wachsen dadurch genau an den Stellen, an denen sie später für das fertige Bauelement benötigt werden. Direkt im Anschluss werden sie in nanophotonische Resonatoren integriert, die das erzeugte Licht mit höchster Effizienz einfangen.
Wie präzise das neue Verfahren ist, demonstrierten die Forscher mit einem 6×6-Raster aus 36 Quantenlichtquellen Alle 36 Bauelemente waren voll funktionsfähig. Diese 100-prozentige Ausbeute und Reproduzierbarkeit markiert einen entscheidenden Schritt weg von individuell optimierten Einzelstücken hin zu skalierbaren, industriekompatiblen Plattformen.
Die Fachwelt ist der Meinung, dass die TU Berlin damit eine der größten Hürden der Quantenphotonik adressiert hat: den Übergang vom Laborexperiment zur technologisch nutzbaren Anwendung. Die Vision von leistungsfähigen Quantencomputern und absolut sicheren Kommunikationsnetzen sei nun ein großes Stück greifbarer geworden.