TU Berlijn zet de weg vrij voor massaproductie van quantumchips

Schematische Darstellung einer skalierbaren Plattform aus Quantenlichtquellen, bei der präzise positionierte Quantenpunkte in Nanoresonatoren integriert werden.

Prof. Dr. Reitzenstein voor de proefkamer van de elektronenstraal-lithografiesysteem, waarmee hoogprecisie nanostructuren worden vervaardigd voor schaalbare kwantumlichtbronnen van de volgende generatie.

Optische kwantenchips worden beschouwd als essentiële bouwstenen voor toekomstige communicatie- en computertechnologieën. De productie ervan was tot nu toe echter arbeidsintensief, omdat de bronnen voor individuele lichtdeeltjes – zogenaamde halfgeleider-kwantumpunten – willekeurig op de chip ontstonden en eerst kostbaar gelokaliseerd moesten worden. Onderzoekers van de Technische Universität Berlin hebben nu een oplossing voor dit probleem ontwikkeld: Door gecontroleerd in het substraat geïntegreerde „stressoren“ kunnen ze materiaalkrachten aan het oppervlak precies zodanig genereren dat kunstmatige atomen in de vorm van halfgeleider-kwantumpunten gericht groeien op de gewenste plaatsen. Hiermee leggen ze de basis voor een schaalbare en industrieel compatibele productie van optische kwantenchips.

Het werk werd geleid door Prof. Stephan Reitzenstein in de werkgroep „Opto-elektronica en kwantumcomponenten“ aan het Instituut voor Fysica en Astronomie van de TU Berlin, in samenwerking met onderzoekers van de Carl von Ossietzky Universiteit Oldenburg. De wetenschappers ontwikkelden een nieuwe architectuur voor kwantenchips, waarbij zogenaamde kwantumpunten – nanoscopisch kleine halfgeleiderstructuren voor het genereren van individuele lichtdeeltjes – precies op vooraf bepaalde posities in de chip worden geïntegreerd. De resultaten zijn gepubliceerd in het vakblad Light: Science & Applications.

Van toeval naar gerichte fabricage

Kwantumpunten worden beschouwd als veelbelovende bronnen voor individuele lichtdeeltjes (fotonen). Deze deeltjes vormen een belangrijke basis voor toekomstige toepassingen zoals veilige kwantumcommunicatie, kwantennetwerken, kwantumsensoriek of fotonische kwantumcomputers. Tot nu toe ontstond een centraal probleem al tijdens de productie: de kwantumpunten vormden zich tijdens het groeiproces willekeurig op het halfgeleidermateriaal. Onderzoekers moesten daarom eerst geschikte kwantumpunten kostbaar identificeren voordat ze de benodigde fotonische structuren eromheen konden fabriceren. „Voor enkele demonstratoren was deze aanpak zeer succesvol. Maar als je veel lichtbronnen met vergelijkbare kwaliteit op een chip wilt produceren, wordt de willekeurige positie van de kwantumpunten een knelpunt“, legt Kartik Gaur uit, die de kwantumcomponenten in het kader van zijn doctoraat heeft ontwikkeld. „Onze aanpak verschuift deze stap al naar de kristalgroei: de kwantumpunten ontstaan daar waar ze later ook in het fotonische element nodig zijn.“

De werkgroep van Prof. Reitzenstein ontwikkelde dus een procedure die de positie van de kwantumpunten al tijdens de kristalgroei voorschrijft. Dit wordt mogelijk gemaakt door een speciale, verborgen laag in het substraat van de chip, die zeer precies materiaalkrachten genereert en zo de groei van de kwantumpunten gericht stuurt. Vervolgens worden de kwantumpunten direct geïntegreerd in nanofotonische resonatoren, die het gegenereerde licht bijzonder efficiënt verzamelen en beschikbaar stellen voor kwantumtechnologische toepassingen.

Hoge opbrengst en reproduceerbare kwaliteit

Met de nieuwe methode produceerden de onderzoekers een raster van 6x6 met 36 lichtbronnen, waarbij alle componenten functioneerden. Daarmee bereikten ze een uitstekende reproduceerbaarheid, die in de halfgeleidergebaseerde kwantumfotoniek tot nu toe zelden werd gehaald. „De werkelijke betekenis van dit onderzoek ligt niet alleen in de hoge opbrengst van de componenten“, zegt Reitzenstein. „Het belangrijkste is dat we kunnen laten zien hoe krachtige lichtbronnen met gecontroleerde kwaliteit en hoge reproduceerbaarheid op een halfgeleiderchip gerealiseerd kunnen worden. Daarmee adresseren we een centrale uitdaging in de kwantumfotoniek: de overgang van individueel geoptimaliseerde laboratoriumdemonstraties naar schaalbare, technologische platforms voor toekomstige kwantumsystemen.“

Basis voor de volgende generatie kwantenchips

Bovendien onderzocht het onderzoeksteam gedetailleerd hoe kleine afwijkingen in de positionering van de kwantumpunten de prestaties van de componenten beïnvloeden. Daartoe combineerden de onderzoekers verschillende beeldvormende, spectroscopische en kwantumoptische meetmethoden met numerieke simulaties. De theoretische werken werden uitgevoerd door de werkgroep van Prof. Christopher Gies aan de Carl von Ossietzky Universiteit Oldenburg. De modelleringen verklaren hoe de exacte positie van de kwantumpunten de eigenschappen van de gegenereerde lichtdeeltjes beïnvloedt en bieden belangrijke richtlijnen voor de ontwikkeling van toekomstige kwantenchips.

Bewijs van hoge kwaliteit van de lichtbronnen

Ook de prestaties van de lichtbronnen konden het team kwantitatief aantonen. Bij de beste componenten lukte het om bijna de helft van de gegenereerde lichtdeeltjes uit de chip af te scheiden voor verdere toepassing – een zeer goede waarde. Tegelijkertijd lag de kwantummechanische „reinheid“ van de individuele lichtdeeltjes boven de 99 procent. Bovendien vertoonden de gegenereerde deeltjes bijna identieke kwantumoptische eigenschappen. Dit is een belangrijke voorwaarde voor toekomstige fotonische kwantumcomputers en kwantennetwerken, omdat daar veel lichtdeeltjes exact op dezelfde wijze met elkaar moeten interageren.

Extra informatie:

Scalable quantum photonic platform based on site-controlled quantum dots coupled to circular Bragg grating resonators, Kartik Gaur, Avijit Barua, Sarthak Tripathi, Léo J. Roche, Steffen Wilksen, Alexander Steinhoff, Sam Baraz, Neha Nitin, Chirag C. Palekar, Aris Koulas-Simos, Imad Limame, Priyabrata Mudi, Sven Rodt, Christopher Gies & Stephan Reitzenstein

https://www.nature.com/articles/s41377-026-02343-0