Ein Forschungsteam der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) hat kürzlich in der Zeitschrift „Science Advances“ eine innovative Entwicklung vorgestellt: einen winzigen Detektor, der einzelne Mikrowellenphotonen kontinuierlich erfassen kann. Das Gerät kombiniert einen Halbleiter-Doppelquantenpunkt mit einem supraleitenden Mikrowellenresonator und könnte neue Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen Quanten-Mikrowellenoptik, Quantensensorik und Quanteninformationsverarbeitung eröffnen.
Mikrowellenphotonen sind die grundlegenden Einheiten elektromagnetischer Strahlung, die in Technologien wie Wi-Fi und Radar weit verbreitet sind. Ihre Energie ist jedoch viel geringer als die von sichtbarem Licht, was ihre Detektion äußerst schwierig macht. Moderne Quantentechnologien sind auf zuverlässige Einzelphotonendetektion angewiesen, doch herkömmliche Methoden im Mikrowellenbereich scheitern aufgrund der unzureichenden Photonenenergie. Der von der EPFL entwickelte Mikrowellen-Photonendetektor löst diese Herausforderung, indem er eintreffende Photonen in einen messbaren elektrischen Strom umwandelt.
Das Herzstück des Detektors besteht aus einem Doppelquantenpunkt und einem supraleitenden Mikrowellenresonator. Der Doppelquantenpunkt besteht aus zwei winzigen Halbleitermaterial-Inseln, von denen jede ein Elektron aufnehmen kann, und basiert auf einer GaAs/AlGaAs-Heterostruktur, die eine präzise elektronische Kontrolle ermöglicht. Der supraleitende Resonator wird aus einem Array von Josephson-Kontakten aufgebaut, speichert Mikrowellenphotonen im Frequenzbereich von 3 bis 5,2 Gigahertz und wechselwirkt stark mit dem Quantenpunkt. Dabei wandelt er Photonenabsorptionsereignisse in ein Gleichstromsignal um.
Wenn ein Mikrowellenphoton in den Resonator eintritt und seine Energie übereinstimmt, absorbiert ein Elektron im Doppelquantenpunkt das Photon und bewegt sich, wodurch ein winziger Strom erzeugt wird. Dies ermöglicht es den Forschern, einzelne Photonen nachzuweisen. Leistungstests zeigen, dass das Gerät je nach Abstimmung 55 % bis 67,7 % der einfallenden Photonen detektieren kann, mit einer besten Effizienz von nahezu 70 %. Dies stellt einen wichtigen Durchbruch in der halbleiterbasierten Mikrowellenphotonendetektion dar.
Der Mikrowellen-Photonendetektor kann kontinuierlich betrieben werden und setzt sich nach der Absorption eines Photons innerhalb weniger Nanosekunden selbst zurück, wobei seine Leistung mit der fortschrittlicher Detektoren vergleichbar ist. Aufgrund seiner Halbleiterstruktur lässt er sich leicht mit Spin-Qubits auf demselben Chip integrieren, was eine Verbindung zwischen Mikrowellenphotonik und Quantencomputing ermöglicht. Pasquale Scarlino, der Leiter des Forschungsteams, erklärte: „Diese Forschung setzt nicht nur einen neuen Standard für Mikrowellen-Photodetektoren, sondern eröffnet auch neue Perspektiven für die Entwicklung von Quantentechnologie-Plattformen.“
Veröffentlichungsdetails: Autor: von der Ecole Polytechnique Federale de Lausanne; Titel: „A tiny detector for microwave photons could advance quantum tech“; veröffentlicht in: „Science Advances“ (2026); Zeitschrifteninfo: Science Advances
