Nové aplikace mikrolaserů v kvantové nanofotonice

Schematické znázornění experimentu: Světlo elektricky pulzovaného mikrolaseru (vlevo) je vedené optickým vláknem k jednotkovému fotonovému zdroji (vpravo). Tam vytváří jednotlivé fotony, které je třeba přesně oddělit od laserového světla pomocí polarisního filtru. (© Sören Kreinberg/TU Berlin)

Věda kolem mikro- a nanolaserů zažívá celosvětový boom. Obvykle se vědci a vědkyně především zabývají základní fyzikou těchto laserů. Jaký možný přínos budou mít tyto extrémně malé lasery v praxi, zatím není jasné. „Fakt, že zatím neexistují nebo jen velmi málo možné aplikace pro mikrolasery, je mimo jiné způsoben tím, že emitují pouze velmi nízký optický výkon. Například by bylo potřeba 1000 mikrolaserů, aby se dosáhlo výkonu laserového ukazovátka,“ vysvětluje prof. Dr. Stephan Reitzenstein z oboru „Optoelektronika a kvantová zařízení“ na Ústavu pevné látky fyziky TU Berlín. „Zajímavé by však mohly být aplikace, kde je potřeba jen velmi málo světla. Přesně to je případ provozu jednoho zdroje jednotlivých fotonů.“

Skupině vedené Stephanem Reitzensteinem se poprvé podařilo v rámci jeho ERC Consolidator Grantu dokázat tzv. „proof of principle“, že lze mikrolaser využít k aktivaci zdroje jednotlivých fotonů, tedy k emitování fotonů. „Neméně důležité je, že jsme takto mohli sjednotit dvě komunity v rámci fyziky: jednak vědu kolem mikrolaserů a jednak vědu kolem zdrojů jednotlivých fotonů.“

Hlavním cílem tohoto experimentu je mimo jiné využití mikrolaserů v odposlechově bezpečné kvantové komunikaci. Ve zveřejněné práci byly mikrolaser a zdroj jednotlivých fotonů umístěny ve dvou různých místnostech – každý v samostatném kryostatu při několika desítkách kelvinů – a byly propojeny optickým vláknem. „Po tomto ‚proof of principle‘ je dalším krokem spojit obě komponenty ‚na čipu‘. Tedy mikrolaser a zdroj jednotlivých fotonů ne v různých místnostech, ale na stejném, několik mikrometrů velkém čipu,“ říká Stephan Reitzenstein.

Výzvou tohoto experimentu bylo mimo jiné jednoznačně dokázat, že fotony měřené na výstupu experimentu skutečně pocházejí ze zdroje jednotlivých fotonů – a nikoli například z mikrolaseru. Obvykle emitují kvantové body (zdroje jednotlivých fotonů) při určité vlnové délce – například 830 nanometrů – a laser při jiné vlnové délce – například 700 nanometrů. V takovém případě je rozlišení fotonů relativně jednoduché. „V našem případě však musí kvantový bod i mikrolaser emitovat při přesně stejné vlnové délce. Problém je, že mikrolaser vysílá přibližně milionkrát více fotonů než kvantový bod. Je proto klíčové prokázat, že měřené fotony na konci experimentu skutečně pocházejí ze zdroje jednotlivých fotonů a nikoli z laseru,“ popisuje Stephan Reitzenstein. Jeho doktorand Sören Kreinberg vyvinul speciální optickou konstrukci, která umožňuje fotony od sebe odlišit podle jejich polarizace. Laserové světlo má například horizontální polarizaci. Tím je kvantový bod aktivován. Naopak kvantový bod emitují mimo jiné i fotony s vertikální polarizací. „Tento filtr, který propouští pouze fotony s vertikální polarizací, zařadíme za kvantový bod. Tak můžeme jednoznačně prokázat, že detekované fotony musí pocházet z kvantového bodu.“

Další důležitou výzvou bylo najít vůbec mikrolaser, které byly ve spolupráci s pracovním týmem prof. Sven Höffinga na Univerzitě Würzburg vyvinuty a vyrobeny, s konstantní definovanou vlnovou délkou a odpovídajícím zdrojem jednotlivých fotonů. „Na rozdíl od běžného laseru nemá mikrolaser ‚kolečko‘, na kterém by se dalo otáčet a nastavit správnou vlnovou délku. Každý mikrolaser emitují světlo při určité vlnové délce, která se od vzorku k vzorku může lišit až o deset nanometrů. Potřebujeme laser, který bude vždy naprosto přesně emitovat při stejné vlnové délce jako náš zdroj jednotlivých fotonů. Proto museli moji kolegové Sören Kreinberg a Tomislav Grbešić testovat a analyzovat stovky mikrolaserů,“ vysvětluje Stephan Reitzenstein. Důvod, proč musí mikrolaser a zdroj jednotlivých fotonů tak přesně ladit, spočívá v možném využití v kvantové komunikaci: „Když je kvantový bod aktivován světlem s různými vlnovými délkami, emitují i fotony s mírně odlišnými vlastnostmi. Ty by nebyly vhodné pro potenciální kvantovou komunikaci.“

Quantum-optická spektroskopie dvouúrovňového systému pomocí elektricky poháněného mikropilířového laseru jako rezonantního zdroje excitace
Sören Kreinberg, Tomislav Grbešić, Max Strauß, Alexander Carmele, Monika Emmerling, Christian Schneider, Sven Höffling, Xavier Porte a Stephan Reitzenstein
Light: Science & Applications (2018) 7, doi: 10.1038/s41377-018-0045-6