Die Idee ist, dass der Absender einer Nachricht sukzessiv mit einzelnen Photonen den Schlüssel an den Empfänger überträgt. Die Information steckt dabei jeweils in der Polarisation – der Schwingungsebene – des einzelnen Photons. Fängt nun ein Dritter die Lichtquanten ab, so kann er sie zwar lesen, er verändert durch die Messung aber auch gleichzeitig den quantenmechanischen Zustand der Photonen. Der Empfänger kann also erkennen, ob der Schüssel ungesehen bei ihm ankam, oder ob jemand einen Blick darauf geworfen hat. Warum braucht man dafür aber einzelne Photonen?

Bestünden die Lichtpulse aus mehreren identisch polarisierten Photonen, beispielsweise aus zweien, so könnte ein Lauscher einen Strahlenteiler verwenden. Ein Photon würde dann in seinen Detektor wandern, das andere in den des Empfängers. Ein einzelnes Photon müsste sich aber entscheiden, welche Richtung es einschlägt – das macht das Verfahren so sicher.

Acht Physikern aus drei Arbeitsgruppen von der University of California in Santa Barbara (UCSB) ist es nun gelungen, gezielt ein Photon zu emittieren. Sie verwendeten dazu eine Vorrichtung, die wie ein Pilz geformt ist und aus halbleitenden Materialien besteht (Science vom 22. Dezember 2000).

Zunächst einmal stellten Pierre Petroff und seine Kollegen von der UCSB das Ausgangsmaterial für ihre Struktur her. Hierbei handelt es sich um einen Halbleiter, der aus mehreren Schichten aufgebaut ist. Diese wurden nacheinander mittels Molekularstrahlepitaxie, einem gängigen Herstellungsverfahren für derartige Halbleiterstrukturen, auf einem Substrat aus Galliumarsenid aufgedampft. Die Zwischenschicht bestand aus Alumium-Galliumarsenid. Die 200 Nanometer dicke Deckschicht aus Galliumarsenid enthält kleine Inseln aus Indiumarsenid – so genannte Quantenpunkte oder Quantum-dots. Aufgrund der kleinen Abmessungen haben sie besondere elektrische Eigenschaften, die für die Emission von Photonen wichtig sind.

Evenlyn Hu von der UCSB strukturierte und ätzte in ihrer Gruppe das Ausgangsmaterial zu den pilzförmigen Gebilden. Die Kappe des Pilzes, von den Forschern auch Microdisk genannt, besteht aus der Deckschicht mit den eingebetteten Quantenpunkten. Durch den pilzartigen Aufbau erreichen die Forscher, dass die Quantenpunkte möglichst frei stehen und somit weniger Störungen durch anderes Material entstehen. "Man hat auch schon früher Microdisks hergestellt", erzählt Hu, "das Neue ist hier, dass wir diese Struktur mit Quantenpunkten kombiniert haben und dass wir wussten, wonach wir Ausschau halten mussten".

Ausschau hielten schließlich Atac Imamoglu und seine Kollegen ebenfalls von der UCSB. Sie bestrahlten die Miniatur-Pilze mit Laserlicht und konnten nachfolgend ein Emissionsmuster erkennen, das nur von einzelnen ausgesandten Photonen herrühren konnte. "Die starke Eingrenzung durch die quantum-dots-Struktur bewirkt, dass die Photonen unterschiedlich emittiert werden, und wir haben uns nur das Photon angesehen, dass mit der niedrigsten Energie emittiert wird, genau dann wenn das letzte Elektron-Loch-Paar rekombiniert", erklärt Imamoglu.

Leider zeigt die Pilzkappe keine Richtung, in der sie die Photonen bevorzugt aussendet. Deshalb ist sie so, wie sie jetzt vorliegt, für die Anwendung noch nicht geeignet. Imamoglu ist aber zuversichtlich, dass das Problem mit einer anderen Geometrie, eventuell mit einer elliptischen Kappe behoben ist.

Siehe auch

• Spektrum Ticker vom 6.10.1999
  "Photonen im Takt"
  
• Spektrum Ticker vom 9.10.1998
  "Geheim um den Globus"
  (nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)
  
• Spektrum Ticker vom 23.6.1998
  "Auf dem Weg zum Quantencomputer"
  
• Spektrum der Wissenschaft 6/99, Seite 26
  "Vom diplomatischen Code zur Falltürfunktion"
  (nur für Heft-Abonnenten online zugänglich)