Forscher der TU Berlin machen Weg zur Serienfertigung von Quantenchips frei

Mittels präzise platzierter Quantenpunkte lassen sich Quantenlichtquellen erstmals skalierbar und reproduzierbar auf Halbleiterchips integrieren

[datensicherheit.de, 03.07.2026] Optische Quantenchips gelten als Schlüsselbausteine künftiger Kommunikations- und Computertechnologien. Bisher war ihre Herstellung noch sehr herausfordernd, weil die dafür benötigten Quellen für einzelne Lichtteilchen – sogenannte Halbleiter-Quantenpunkte – zufällig auf dem Chip entstanden und zunächst aufwändig lokalisiert werden mussten. Forscher der Technischen Universität Berlin (TUB) haben nun nach eigenen Angaben eine Lösung für dieses Problem entwickelt: Durch kontrolliert in das Substrat integrierte „Stressoren“ können sie demnach Materialspannungen an der Oberfläche genau so erzeugen, dass künstliche Atome in Form von Halbleiter-Quantenpunkten gezielt an den gewünschten Stellen wachsen. Damit schaffen sie die Grundlage für eine skalierbare und industriekompatible Fertigung optischer Quantenchips.

Wissenschaftler entwickelten neue Quantenchip-Architektur

Die Arbeiten entstanden unter der Leitung von Prof. Dr. Stephan Reitzenstein in der Arbeitsgruppe „Optoelektronik und Quantenbauelemente“ am „Institut für Physik und Astronomie“ der TUB in Kooperation mit Forschern der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg. Die Wissenschaftler hätten eine neue Quantenchip-Architektur entwickelt, bei der sogenannte Quantenpunkte – nanoskopisch kleine Halbleiterstrukturen zur Erzeugung einzelner Lichtteilchen – präzise an vorgegebenen Positionen in den Chip integriert würden. Die Ergebnisse wurden nun in der Fachzeitschrift „Light: Science & Applications“ veröffentlicht.

• Quantenpunkte gelten als vielversprechende Quellen einzelner Lichtteilchen (Photonen), denn solche Lichtteilchen sind eine wichtige Grundlage für zukünftige Anwendungen – wie abhörsichere Quantenkommunikation, Quantennetzwerke, Quantensensorik oder photonische Quantencomputer. Bislang sei ein zentrales Problem jedoch bereits bei der Herstellung entstand: „Die Quantenpunkte bildeten sich während des Wachstumsprozesses zufällig auf dem Halbleitermaterial.“

Forscher hätten daher zunächst geeignete Quantenpunkte aufwändig identifizieren müssen, bevor sie die notwendigen photonischen Strukturen um diese herum fertigen konnten. „Für einzelne Demonstratoren war dieses Vorgehen sehr erfolgreich. Wenn man jedoch viele Quantenlichtquellen mit vergleichbarer Qualität auf einem Chip herstellen möchte, wird die zufällige Position der Quantenpunkte zu einem zentralen Engpass”, so Kartik Gaur, der die Quantenbauelemente im Rahmen seiner Doktorarbeit entwickelt hat. Er führt aus: „Unser Ansatz verschiebt diesen Schritt bereits in das Kristallwachstum: Die Quantenpunkte entstehen dort, wo sie später auch im photonischen Bauelement benötigt werden.“

In der halbleiterbasierten Quantenphotonik bislang nur selten erzielt – exzellente Reproduzierbarkeit erreicht

Die Arbeitsgruppe von Professor Reitzenstein hat also ein Verfahren entwickelt, welches die Position der Quantenpunkte bereits während des Kristallwachstums vorgibt. Möglich werde dies durch eine spezielle, im Substrat des Chips verborgene Schicht, welch sehr präzise Materialspannungen erzeuge und so das Wachstum der Quantenpunkte gezielt steuere. Anschließend würden die Quantenpunkte direkt in nanophotonische Resonatoren integriert, welche das erzeugte Licht besonders effizient sammelten und für Quantentechnologie-Anwendungen zur Verfügung stellten.

• Mit diesem neuen Verfahren fertigten die Forscher laut TUB ein 6×6-Raster aus 36 Quantenlichtquellen, bei dem alle erzeugten Bauelemente funktionsfähig waren. Damit hätten sie eine exzellente Reproduzierbarkeit erreicht, welche in der halbleiterbasierten Quantenphotonik bislang nur selten erzielt worden sei.

„Die eigentliche Bedeutung dieser Arbeit liegt nicht allein in der hohen Ausbeute der Bauelemente“, so Reitzenstein. Entscheidend sei, dass sie zeigen könnten, wie sich leistungsfähige Quantenlichtquellen mit kontrollierbarer Qualität und hoher Reproduzierbarkeit auf einem Halbleiterchip realisieren ließen. „Damit adressieren wir eine zentrale Herausforderung der Quantenphotonik –den Übergang von individuell optimierten Labordemonstratoren zu skalierbaren, technologisch nutzbaren Plattformen für zukünftige Quantensysteme.“

Grundlagen für die neue Generation von Quantenchips geschaffen

Darüber hinaus habe das Forschungsteam detailliert untersucht, wie sich kleinste Abweichungen bei der Positionierung der Quantenpunkte auf die Leistungsfähigkeit der Bauelemente auswirken. Dazu hätten die Forscher verschiedene bildgebende, spektroskopische und quantenoptische Messverfahren mit numerischen Simulationen kombiniert. Die theoretischen Arbeiten seien dabei von der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Christopher Gies an der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg durchgeführt worden. Diese Modellierungen erklärten, wie sich die genaue Position der Quantenpunkte auf die Eigenschaften der erzeugten Lichtteilchen auswirkt, und lieferten wichtige Richtlinien für die Entwicklung zukünftiger Quantenchips.

• Auch die Leistungsfähigkeit der Quantenlichtquellen habe das Team quantitativ nachweisen können. Bei den besten Bauelementen sei es gelungen, nahezu die Hälfte der erzeugten Lichtteilchen für die weitere Nutzung aus dem Chip auszukoppeln – was ein sehr guter Wert sei. Gleichzeitig habe die quantenmechanische „Reinheit“ der einzelnen Lichtteilchen bei über 99 Prozent gelegen. Zudem hätten die erzeugten Lichtteilchen nahezu identische quantenoptische Eigenschaften gezeigt. Dies sei eine wichtige Voraussetzung für zukünftige photonische Quantencomputer und Quantennetzwerke, da dort viele Lichtteilchen auf exakt dieselbe Weise miteinander wechselwirken müssten.

Light Science & Application, 02.06.2026
„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

Weitere Informationen zum Thema:

TU TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN
Experimentalphysik, insbesondere Optoelektronik/Quantenbauelemente / Arbeitsgruppe Prof. Dr. Stephan Reitzenstein

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Stephan Reitzenstein

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