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Halbleitermaterialien wie Silizium und Galliumarsenid (GaAs) sind Grundlage vieler elektronischer Geräte wie LEDs, Mobiltelefonen oder Robotern. Ein Quantenpunkt ist eine extrem kleine Halbleiter-Nanostruktur, die Eigenschaften von einzelnen Atomen und Halbleitern vereint. Man kann ihn sich als eine winzige Kugel vorstellen, etwa 100.000 Mal kleiner als ein Millimeter, eingebettet in ein Halbleiterbauelement. Ein Quantenpunkt ist eine Art Käfig für Elektronen, der diese in allen drei Raumrichtungen einschränkt, ähnlich wie im Kern eines Atoms. Dadurch verhalten sie sich wie künstliche Atome. "Wir stellen diese künstlichen Atome in unseren Laboren her, bauen optoelektronische Geräte ähnlich wie LEDs mit ihnen, untersuchen ihre Eigenschaften und nutzen sie für neue Anwendungen, die mit klassischen Halbleitern nicht möglich sind", erläutert der Linzer Forschungsgruppenleiter Armando Rastelli von der Johannes-Kepler-Universität Linz (JKU).
Mit GaAs-Quantenpunkten können verschränkte Photonen erzeugt werden, die für die sichere Übertragung von Quanteninformationen genutzt werden. Diese sind als Grundlage abhörsicherer Datenübertragung zentraler Bestandteil von Quantenkryptografie und -kommunikationssystemen. An der FH Vorarlberg stellt etwa das Forschungszentrum Mikrotechnik mittels Ultrakurzpulslaser in Kooperation mit Quantenoptik-Forschungsgruppen kleine Aktuatoren her, die man für die Erzeugung von solchen verschränkten Photonenpaaren einsetzen kann.
Eine Punkt-zu-Punkt-Quantenkommunikation, die absolute Datensicherheit garantiert, ist laut Rastelli bereits Realität. Erst kürzlich wurde etwa die quantenoptische Bodenstation "Marietta Blau" der Universität Innsbruck eröffnet. Eine Weiterentwicklung sei in dem Bereich zu erwarten. "Ein funktionierendes weltweites Quanteninternet und nützliche Quantencomputer sind jedoch weiterhin eine Herausforderung", so der Halbleiterphysiker.
Wie rasch sich die Dinge entwickeln, sei wie bei jeder neuen Technologie schwierig vorherzusagen, die Forschung werde aber nicht nur von der Wissenschaft, sondern auch von großen Industrien vorangetrieben. Dementsprechend hoch seien Motivation, Investitionen und strategische Bemühungen. Zwischen der ursprünglichen Entdeckung und einer Anwendung einer Idee könnten allerdings Jahrzehnte vergehen, so lagen zwischen der Entdeckung der Elektrolumineszenz und der Nutzung von LED zur Beleuchtung mehr als 90 Jahre.
Österreich habe seit jeher großen Anteil an der Erforschung der Quantenwelt, so Rastelli und nannte etwa die Erkenntnisse der Nobelpreisträger Erwin Schrödinger und später Anton Zeilinger. "Viele bahnbrechende Experimente wurden und werden in Österreich durchgeführt, und viele Ideen, die die Grundlage für Quantencomputing, -sensorik und -kommunikation bilden, wurden in Österreich geboren", sagte Rastelli. Seit 2023 sind die meisten Forschungsaktivitäten unter dem Dach des FWF-Clusters of Excellence "Quantum Science Austria" gebündelt.
"In unserem Bereich hoffe ich, einen funktionierenden Quantenspeicher zu sehen, der effizient mit Photonen gekoppelt werden kann, um als Knotenpunkt eines Quantennetzwerks zu fungieren", so Rastelli über sich anbahnende Fortschritte. In den vergangenen Jahren habe es vor allem im Vereinigten Königreich mehrere Durchbrüche gegeben unter Verwendung von in Linz hergestellten Quantenpunkten. "Ich habe vor mehr als zwanzig Jahren angefangen, mit GaAs-Quantenpunkten zu arbeiten, zunächst aus Neugier und weil es eine Herausforderung war, sie herzustellen. Es wäre sehr aufregend zu sehen, dass diese Objekte nicht nur ein schönes System für die Grundlagenforschung sind, sondern auch dazu verwendet werden können, eine nützliche Technologie aufzubauen", so der Forscher.
Als größte Herausforderung nannte Rastelli die derzeitigen internationalen Konflikte, die einen fruchtbaren wissenschaftlichen Austausch außerhalb Europas gefährden könnten. "Forschung lebt von Zusammenarbeit und Austausch", betonte Rastelli. Bei der hochkarätig besetzten Konferenz in Dornbirn bringe man Menschen mit gemeinsamer Leidenschaft, aber unterschiedlichem Hintergrund und Perspektiven zusammen, zum einen langjährige Forschende, aber auch eine neue Generation Studierender. Ebenso besorgt sei man wegen möglicher finanzieller Einschränkungen durch Einsparungen an den Universitäten. Quantenforschung sei kostenintensiv.
"Die Entwicklung von Quantentechnologien kann nicht mehr von einer einzelnen Gruppe bewerkstelligt werden, es erfordert multidisziplinären Input aus Physik, Materialforschung und Ingenieurtechnik", so auch Dorian Gangloff von der University of Cambridge. Es sei daher essenziell, sich zu vernetzen und Synergien zu nutzen. Quantenpunkte seien wesentlich beim Aufbau eines großflächigen Quanteninternets. Noch sei es aber ein langer Weg zu einer vollen Skalierbarkeit. Gangloff rief die Workshopreihe 2023 in Kooperation mit Rastellis Gruppe in Linz und der Gruppe der FHV Dornbirn mit Fadi Dohnal und Sandra Stroj sowie weiteren Institutionen ins Leben. Zuvor fanden die Treffen in Oxford, Traunkirchen und Wrocław statt.
(S E R V I C E - 4. Internationale GaAs Quantum Dot Workshop von 10. bis 12. Juni an der FH Vorarlberg in Dornbirn im Internet https://gaasqd2026.fhv.at)
++ THEMENBILD ++ Strahlteiler aufgenommen in einem Labor zur Polarisation und Verschränkung von Lichtteilchen (Photonen) am Mittwoch, 6. Dezember 2023, an der Fakultät für Physik der Universität Wien. Mittels nicht linearer optischer Kristalle erzeugt der Laserstrahl einzelne Lichtteilchen.
