Heute, am 2. Oktober 2026, geht es an der Uni Paderborn um eine Frage, die in der Quantenkommunikation ziemlich entscheidend ist: Wie lassen sich zwei nacheinander erzeugte Photonen so ähnlich machen, dass sie sich praktisch nicht mehr unterscheiden lassen? Forschende der Universität Basel um Timon L. Baltisberger haben dafür eine Biexziton-Kaskade untersucht und die zeitliche Kopplung der beiden Lichtteilchen gezielt verändert.

In einem Halbleiter-Quantenpunkt läuft die Emission in zwei Schritten ab. Zuerst zerfällt ein doppelt angeregter Zustand, das Biexziton, in ein Exziton. Dieses fällt anschließend in den Grundzustand zurück. Der Zeitpunkt des zweiten Zerfalls hängt vom ersten ab – die Photonen sind also zeitlich korreliert. Genau das begrenzt ihre Kohärenz und Ununterscheidbarkeit.

Mit dem Purcell-Effekt gegen die Zeitkorrelation

Für die Messungen nutzte das Team selbstorganisierte InGaAs-Quantenpunkte in einer abstimmbaren, offenen optischen Mikrokavität. Die Biexziton-Kaskade wurde optisch angeregt. Über den Purcell-Effekt konnte die Kavität gezielt die Lebensdauer des ersten oder des zweiten Zerfalls verkürzen. Das Verhältnis der beiden Zerfallszeiten ließ sich dadurch um mehr als zwei Größenordnungen verändern.

Wurde die Kavität auf den Biexziton-Übergang abgestimmt und damit der erste Zerfall beschleunigt, erreichten die rohen Interferenzsichtbarkeiten 90 ± 2 Prozent für das erste Photon und 80 ± 6 Prozent für das zweite. Nach der Korrektur des gemessenen Mehrphotonenanteils lagen die Werte bei 94 ± 2 beziehungsweise 82 ± 6 Prozent.

Der schnellere erste Zerfall verringerte die zeitliche Unsicherheit des zweiten Photons. Beide Photonen wurden dadurch kohärenter und besser unterscheidbar. Wurde dagegen der zweite Übergang beschleunigt, fielen die korrigierten Interferenzsichtbarkeiten auf 12 ± 3 beziehungsweise 15 ± 1 Prozent. Die Messwerte stimmten mit den quantenoptischen Vorhersagen überein: Nicht nur die Qualität des Quantenpunkts zählt, sondern auch das Verhältnis seiner Zerfallszeiten.

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Für das Biexziton-Photon wurde eine Quellenreinheit von 98 Prozent gemessen. Ganz verschwunden sind die Störsignale allerdings nicht. Ein Teil der verbleibenden Mehrphotonenereignisse entsteht durch Phononen, also Gitterschwingungen des Halbleiters. Sie können Licht in den Kavitätsmodus einkoppeln – ein Vorgang, der „Cavity Feeding“ genannt wird. Phononen setzen damit eine weitere Grenze für die Reinheit der Quelle.

Eine zweite Studie, ein verwandter Ansatz

Passend dazu beschreibt eine am 2. März 2026 in Nature Materials, Band 25, auf den Seiten 595–601 veröffentlichte Studie die Entwicklung einer effizienten Quelle für Zwei-Photonen-Zustände aus einem einzelnen Quantenpunkt in einer Purcell-verstärkten Mikrosäule. Die Arbeit trägt den DOI 10.1038/s41563-026-02522-9. Deterministische Einzelphotonenquellen gelten zwar als etabliert, die effiziente Erzeugung von Zwei-Photonen-Zuständen aus einzelnen Emittern bleibt aber anspruchsvoll.

Die Forschenden nutzten die entartete Biexziton–Exziton-Strahlungskaskade eines Quantenpunkts und regten dessen p-Schale polarisationselektiv an, um den Biexzitonzustand gezielt zu beladen. Dabei untersuchten sie auch, welche Rolle stimulierte Emission für die zeitliche Korrelation der beiden Photonen spielt.

Bei null Zeitverzögerung betrug die Zweite-Ordnungs-Korrelation g(2)(0)=3.966(324), der Zwei-Photonen-Anteil lag bei 0.983(1). Der Emitter arbeitete in einem hybriden Regime: Die Emission war überwiegend kaskadendominiert, zugleich koexistierten eine durch den Resonator stimulierte Zwei-Photonen-Emission und die konventionelle Biexziton–Exziton-Kaskade. Stimulierte Emission identifizierten die Autoren als wichtigen Mechanismus für die verstärkte zeitliche Korrelation.

Unter Resonanz wurde für das entartete Biexziton eine Lebensdauer von 52,7(5) ps gemessen, bei Verstimmung waren es 483(8) ps. Daraus ergab sich ein Purcell-Faktor von 8,2(1). Eine weitere thermische Abstimmung führte zu einem Purcell-Faktor von 11,2(2). Die Resonanz steigerte die Intensität um das 150-Fache.

Ein angelegtes Faraday-Magnetfeld trennte die entarteten Biexziton- und Exzitonübergänge spektral. Bei 4 T ergab die isolierte Exzitonlinie g(2)(0)=0.055(1). Das bestätigte, dass die Emission überwiegend vom untersuchten Quantenpunkt stammte.

Für die Studie wurden Halbleiterwafer gezüchtet und eine Quantenpunkt-Mikrosäule gefertigt. Untersucht wurde der Aufbau an der Beijing Academy of Quantum Information Sciences. Beteiligt waren außerdem das State Key Laboratory of Optoelectronic Materials and Devices der Chinesischen Akademie der Wissenschaften sowie die University of Chinese Academy of Sciences. Unterstützt wurde die Arbeit unter anderem von der chinesischen National Natural Science Foundation, der Beijing Natural Science Foundation, der China Postdoctoral Science Foundation und dem Innovation Program for Quantum Science and Technology. Die Autoren geben keine konkurrierenden Interessen an.

Plandaten sind über Figshare verfügbar; weitere Daten und der Code können beim korrespondierenden Autor angefordert werden. Die Basler Studie erschien am 2. Oktober 2026 in Physical Review Letters (DOI: 10.1103/t8sk-b2w4).

Warum die Kavität nicht alles gleichzeitig kann

Die offene Mikrokavität aus der Basler Arbeit ist schmalbandig. Deshalb kann sie nicht ohne Weiteres beide Photonen der Kaskade effizient auskoppeln. Als technische Lösungen nennen die Autoren integrierte Gitterstrukturen oder kreisförmige Bragg-Gitter. Der optische Aufbau muss also nicht nur schnell, sondern auch ziemlich geschickt sein – sonst hilft die schönste Resonanz wenig.

Einzelphotonenquellen sind fluoreszierende Lichtquellen, die nie zwei oder mehr Photonen gleichzeitig emittieren. Einzelne Photonen werden insbesondere für Quanteninformationsverarbeitung und Quantenkryptographie benötigt. Deterministische Quellen sind dabei etwas anderes als gewöhnliche, schwache Lichtquellen: Hier soll jedes Anregungsereignis möglichst verlässlich genau ein Photon liefern.

Frühe technische Systeme verwendeten einzelne Atome oder Ionen. Das emittierende Atom muss möglichst bewegungslos gehalten werden. Resonatoren hoher Güte können die Wahrscheinlichkeit spontaner Emission über den Purcell-Effekt erhöhen. Ursprüngliche Arbeiten von L. Mandel und H. Walther nutzten Ionen in magnetischen Kühlfallen. Die Wellenlänge des emittierten Lichts entspricht dabei einem Übergang des Ions; gegen Doppler-Effekt und thermische Kollisionen müssen die Ionen stark abgekühlt werden.

Der Photon-Antibunching-Effekt verhindert, dass ein zweites Photon emittiert wird, bevor das Ion ein weiteres Photon absorbiert hat. Dadurch besitzen die Photonen einen minimalen zeitlichen Abstand, der bei solchen Systemen etwa 10 Nanosekunden beträgt.

Eine andere Möglichkeit bieten Farbzentren – Defekte in Festkörpern, etwa in Diamant oder in Halbleitern mit kleiner Bandlücke. Die atomaren Lichtquellen sitzen dort fest im Material. Kryogene Temperaturen oder starke Magnetfelder sind deshalb nicht zwingend nötig. Bei den Defekten kann es sich unter anderem um Zwischenräume, Fremdatome, Löcher oder Ladungsbarrieren handeln. Die emittierten Photonen liegen daher meist nicht im Wellenlängenbereich gewöhnlicher Atomübergänge.

Quantenpunkte und der Blick auf einzelne Photonen

Kommerzielle Einzelphotonenquellen gibt es nicht. Quantenpunkte werden meist als nanoskopische Halbleiterkristallite in einer Matrix oder Schale aus einem Halbleiter beziehungsweise Isolator mit größerer Bandlücke hergestellt. Bei nasschemisch erzeugten Quantenpunkten ist CdSe in einer ZnS-Matrix üblich. Epitaktisch hergestellte Quantenpunkte bestehen typischerweise aus kristallinen InGaAs-Inseln in einer GaAs-Matrix – ähnlich dem Materialsystem, das auch in der Basler Untersuchung verwendet wurde.

Solche Quantenpunkte