Nowe zastosowania mikrolaserów w kwantowej nanofotonice

Schematyczny diagram eksperymentu: Światło z elektrycznie pulsującego mikrolasera (po lewej) jest prowadzone przez włókno szklane do źródła pojedynczych fotonów (po prawej). Tam generuje pojedyncze fotony, które muszą być precyzyjnie oddzielone od światła lasera za pomocą filtra polaryzacyjnego. (© Sören Kreinberg/TU Berlin)

Dziedzina nauki związana z mikro- i nanolaserami przeżywa światowy hype. Zazwyczaj badacze i badaczki skupiają się głównie na podstawowej fizyce tych laserów. To, jaki potencjalny korzyść mogą przynieść te ekstremalnie małe lasery w zastosowaniach, jest jeszcze niejasne. „Fakt, że nie ma jeszcze lub jest bardzo mało możliwych zastosowań dla mikro laserów, wynika między innymi z tego, że emitują one tylko bardzo niską moc optyczną. Na przykład potrzebne byłoby 1000 mikro laserów, aby osiągnąć moc lasera wskaźnikowego” – wyjaśnia prof. dr Stephan Reitzenstein z dziedziny „Optoelektronika i urządzenia kwantowe” w Instytucie Fizykochemii Stałej na TU Berlin. „Interesujące mogą być jednak zastosowania, w których potrzebna jest tylko bardzo mała ilość światła. Dokładnie to ma miejsce w przypadku zasilania pojedynczego źródła fotonów.”

Zespół badawczy pod kierownictwem Stephana Reitzensteina po raz pierwszy zdołał, w ramach swojego ERC Consolidator Grant, uzyskać tzw. „proof of principle”, czyli dowód, że można wykorzystać mikro laser do pobudzania źródła pojedynczych fotonów, emitując fotony. „Nie ostatnio, udało nam się także zjednoczyć dwie społeczności w fizyce: jedną zajmującą się mikro laserami, a drugą źródłami pojedynczych fotonów.”

Głównym celem tego eksperymentu jest między innymi zastosowanie mikro laserów w bezpiecznej komunikacji kwantowej. W opublikowanej obecnie pracy mikro laser i źródło pojedynczych fotonów znajdowały się w dwóch różnych pomieszczeniach – każde w osobnym kriostacie o temperaturze kilku 10 Kelvinów – i były połączone światłowodem. „Po tym ‚proof of principle’ kolejnym krokiem musi być zintegrowanie obu komponentów ‚on chip’. Czyli umieszczenie mikro lasera i źródła pojedynczych fotonów nie w różnych pomieszczeniach, lecz na tym samym, kilku mikrometrowym obszarze chipu” – mówi Stephan Reitzenstein.

Wyzwanie tego eksperymentu polegało między innymi na jednoznacznym udowodnieniu, że fotony zmierzone na wyjściu eksperymentu pochodzą rzeczywiście ze źródła pojedynczych fotonów, a nie np. z mikro lasera. Zazwyczaj punkt kwantowy (źródło pojedynczych fotonów) emituje w określonej długości fali – na przykład 830 nanometrów, a laser w innej długości fali – na przykład 700 nanometrów. W takim przypadku rozróżnienie fotonów jest stosunkowo proste. „W naszym przypadku jednak punkt kwantowy i mikro laser muszą emitować dokładnie w tej samej długości fali. Problem polega na tym, że mikro laser wysyła około milion razy więcej fotonów niż punkt kwantowy. Dlatego kluczowe jest udowodnienie, że końcowe fotony zmierzone w eksperymencie pochodzą rzeczywiście ze źródła pojedynczych fotonów, a nie z lasera” – opisuje Stephan Reitzenstein. W tym celu jego doktorant Sören Kreinberg opracował specjalną konstrukcję optyczną, która pozwala oddzielić fotony na podstawie ich polaryzacji. Światło lasera ma na przykład polaryzację poziomą. W ten sposób punkt kwantowy jest pobudzany. Natomiast punkt kwantowy emituje między innymi fotony z polaryzacją pionową. „Ten filtr, który przepuszcza tylko fotony z polaryzacją pionową, umieszczamy za punktem kwantowym. Dzięki temu możemy jednoznacznie wykazać, że detekowane fotony muszą pochodzić z punktu kwantowego.”

Innym ważnym wyzwaniem było znalezienie mikro lasera, które zostały opracowane i wyprodukowane we współpracy z zespołem prof. Svena Höflinga na Uniwersytecie w Würzburgu, o stałej, zdefiniowanej długości fali, oraz odpowiedniego źródła pojedynczych fotonów. „W przeciwieństwie do zwykłego lasera, mikro laser nie ma ‚rączki’, którą można obrócić, aby ustawić właściwą długość fali. Każdy mikro laser emituje światło o określonej długości fali, która może się różnić od egzemplarza do egzemplarza nawet o do 10 nanometrów. Potrzebujemy lasera, który zawsze emituje dokładnie w tej samej długości fali co nasze źródło pojedynczych fotonów. W tym celu moi pracownicy Sören Kreinberg i Tomislav Grbešić musieli przetestować i przeanalizować setki mikro laserów” – wyjaśnia Stephan Reitzenstein. Powód, dla którego mikro laser i źródło pojedynczych fotonów muszą harmonizować tak dokładnie, wynika z potencjalnego zastosowania w komunikacji kwantowej: „Gdy punkt kwantowy jest pobudzany światłem o różnych długościach fali, emituje również fotony o nieco różnych właściwościach. Byłoby to niepraktyczne w potencjalnej komunikacji kwantowej.”

Quantum-optical spectroscopy of a two-level system using an electrically driven micropillar laser as a resonant excitation source
Sören Kreinberg, Tomislav Grbešić, Max Strauß, Alexander Carmele, Monika Emmerling, Christian Schneider, Sven Höfling, Xavier Porte i Stephan Reitzenstein
Light: Science & Applications (2018) 7, doi: 10.1038/s41377-018-0045-6