Optische Quantentechnologien

Die neue Kunst des Sehens und Kommunizierens

Optische Quantentechnologien am Fraunhofer IOF

Das Fraunhofer IOF ist ein Pionier in der angewandten Forschung zur Quantentechnologie. Es entwickelt wissenschaftliche und industrielle Anwendungen, genau dort, wo quanten-technologische Systeme ihr revolutionäres Innovationspotential entfalten. Dazu zählen beispielweise die abhörsichere Quantenkommunikation, rauscharme Quantenabbildungssysteme oder fortschrittliche Ionenfallen für Quantencomputer. Das Fraunhofer IOF integriert, optimiert und miniaturisiert quantentechnologische Systeme und nutzt dabei seine Kompetenzen entlang der gesamten quantenphotonischen Prozesskette, von der Modellierung bis zur Systementwicklung, von der Grundlagenforschung bis zur Entwicklung anwendungsfertiger Prototypen.

Wir bieten unseren Kunden anwendungsspezifische und flexible Lösungen an. Im Bereich der Quantenkommunikation überspannt unser Portfolio weltraumgeprüfte Hochleistungsquellen für verschränkte Photonen sowie photonische Systeme auf Basis adaptiver Optik und Leichtgewichtsteleskope für Anwendungen im Weltraum und am Boden.

Montage einer verschränkten Photonenquelle zur Verwendung in der Erdumlaufbahn.

Als Koordinator des Fraunhofer-Leitprojekts QUILT hat das Fraunhofer IOF exzellenten Zugang zu Quantenabbildungssystemen. Wir entwickeln Hochleistungsquellen für Photonenpaare mit der breitesten Abdeckung des optischen Spektrums: vom Infraroten bis zum Ultravioletten. Unsere Systemlösungen eröffnen neue Anwendungsfelder für Abbildungen mit niedrigster Beleuchtung sowie für Wellenlängenbereiche, die durch klassische Lösungen kaum erschlossen sind. Dadurch erweitern wir die Möglichkeiten mikroskopischer und teleskopischer Abbildungssysteme.


Unser Portfolio in der Quantenoptik beinhaltet die folgenden Anwendungsfelder:
 

  • Optische Kommunikation mit physikalisch messbarer Sicherheit
  • Mikroskopie in unentwickelten Wellenlängenbereichen
  • Optische Abbildungen mit minimaler Strahlungsdosis
  • Abbildung und Spektralanalyse in streuenden Medien, wie Gewebe oder Rauch
  • Skalierung von Quantencomputern
© Fraunhofer IOF

Quantenbildgebung basierend auf verschränkten Photonenpaaren

Ausgewählte Projekte:

Verschränkte Photonenquelle für satellitengestützte Quantenkommunikation

Wissenschaftler am Fraunhofer IOF haben eine stabile, weltraumtaugliche Quelle für verschränkte Photonenpaare entwickelt. Solche verbundenen oder "verschränkten" Photonenpaare sollen in Zukunft in sicheren Verschlüsselungstechnologien verwendet werden. Die Quelle basiert auf einem hybriden Design, bei dem ein nichtlinearer, periodisch gepolter Kristall (ppKTP) von zwei Seiten in der Anordnung eines Sagnac-Interferometers mit einer Leistung von max. 8 mW bei 405 nm gepumpt wird. Die resultierende spontane parametrische Fluoreszenz (Spontaneous Down Conversion, SPDC) im Kristall erzeugt polarisationsverschränkte Photonen im Sender- und Empfängerkanal mit einer Rate von bis zu 300.000 Paaren pro Sekunde bei einem Kontrast dieser Photonenpaare im Bereich von 96-99 %.

© Fraunhofer IOF
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Das Funktionsprinzip der Photonenquelle

Quantenbildgebung für den medizinischen Bereich

Wissenschaftler des Fraunhofer IOF haben eine Methode entwickelt, mit der sich lichtempfindliche Proben über lange Zeit mit hoher Auflösung beobachten lassen. Diese Technologie ist besonders für den Bereich der Life Sciences relevant, da beispielsweise Gewebeproben kontrast- und informationsreich abgebildet werden können, ohne dass dabei Zellen beschädigt oder gar zerstört werden. Ermöglicht wird dies durch die Quantentechnologie. Mithilfe eines sogenannten »Einkristall-Setups« ist es den Wissenschaftlern gelungen, Quantenbilder und -videos zu generieren.

Die Vorteile der Quantenphysik für Anwendungen in der Bildgebung werden am Fraunhofer IOF im Rahmen des Leitprojekts QUILT (Quantum Methods for Advanced Imaging Solutions) untersucht.

Laboraufbau zur Erzeugung von Quanten-Bilder.
© Fraunhofer IOF

Quantum-Imaging-Aufbau: Dieses robuste Ein-Kristall-Setup ermöglicht die Untersuchung eines Objekts im Ultravioletten (UV) oder Infraroten (IR) mit gleichzeitiger Detektion im Empfindlichkeitsbereich (VIS) hochentwickelter Silizium-Technologie. Zentral für diese quantentechnologische Anwendung ist ein spezieller Kristall, der die Erzeugung zweier verschränkter Photonen bei unterschiedlichen Wellenlängen (UV, VIS) ermöglicht.

Bild von der Happy-Face-Schablone.
© Fraunhofer IOF

Erstes Testobjekt für Quantenbildgebung mit „nicht-detektiertem Licht“: Eine Amplitudenmaske in Form eines Happy Faces dient als erstes Untersuchungsobjekt, um das Schema der Quantenbildgebungstechnologie zu demonstrieren. Das Happy Face wird mit Licht einer bestimmten Wellenlänge 1 beleuchtet.

Darstellung des Quanten-Bildes vom Happy Face
© Fraunhofer IOF

Quantum Image der Amplitudenmaske in Form eines Happy Faces. Das Bild wird auf einer Kamera mit Licht einer bestimmten Wellenlänge 2 erzeugt, welches sich deutlich vom Beleuchtungslicht unterscheidet. Dennoch ist aufgrund der Verschränkung der beiden Lichtstrahlen (Einsteins „spukhafte Verwirkung“) das Bild auf der Kamera sichtbar. Es lassen sich ebenso Phasenobjekte abbilden.

Das Funktionsprinzip der Quantenbildgebung