Optische Quantentechnologien

Die neue Kunst des Sehens, Kommunizierens und Rechnens

Das Fraunhofer IOF ist ein Pionier in der angewandten Forschung zur Quantenphotonik. Es entwickelt wissenschaftliche und industrielle Anwendungen, genau dort, wo quantentechnologische Systeme ihr revolutionäres Innovationspotenzial 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.

Unser Leistungsangebot

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.

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

Ausgewählte Projekte:

Verschränkte Photonenquelle für abhörsichere Quantenkommunikation

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Fraunhofer IOF haben eine stabile, weltraumtaugliche Quelle für verschränkte Photonenpaare entwickelt. Solche verbundenen oder »verschränkten« Photonenpaare sollen in Zukunft in sicheren Verschlüsselungstechnologien (wie bei der sogenannten »Quantum Key Distribution«, kurz: QKD) verwendet werden. In der Photonenquelle wird ein nichtlinearer, periodisch gepolter Kristall von zwei Seiten in der Anordnung eines Sagnac-Interferometers gepumpt. Die resultierende spontane parametrische Fluoreszenz (Spontaneous Down Conversion, SPDC) im Kristall erzeugt polarisationsverschränkte Photonen im Sender- und Empfängerkanal. Die Quelle wird kontinuierlich weiterentwickelt und gehört zu den leistungsfähigsten Hardwarelösungen in der Quantenkommunikation.

Komponenten der verschränkten Photonquelle — © Fraunhofer IOF

Im Rahmen der QuNET-Initiative wurde im August 2021 die erste quantengesicherte Videokonferenz zwischen dem Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR; ehemals Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)) und dem Bundesministerium für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) in Bonn demonstriert.

Auch mit dabei: eine Weiterentwicklung der verschränkten Photonenquelle.

Im Fokus der QuNET-Arbeit steht dabei der sogenannte »Quantenschlüsselaustausch«, auch QKD genannt (kurz für engl.: »Quantum Key Distribution«). Die QKD ermöglicht den Austausch symmetrischer Schlüssel, deren Sicherheit quantifizierbar ist. Das BSI begleitet dabei die Initiative QuNET und bereitet flankierende und unabhängige Prüfkriterien in internationaler Zusammenarbeit vor.

Mehr Informationen zur verschränkten Photonenquelle
Informationen zu QuNET und den eingesetzten Technologien
Pressemitteilung: Erste quantengesicherte Videokonferenz zwischen zwei Bundesbehörden

Technologien für Quantenkommunikation

Das Funktionsprinzip der Photonenquelle bei der Quantenkommunikation.

Quantenbildgebung für den medizinischen Bereich

Forschende 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 Wissenschaftlerinnen und 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 Fernwirkung“) das Bild auf der Kamera sichtbar. Es lassen sich ebenso Phasenobjekte abbilden.

Das Funktionsprinzip der Quantenbildgebung.

Adressieroptik für Quantencomputer

Am Fraunhofer IOF wurde innerhalb des Forschungsprojekts »Advanced quantum computing with trapped ions« (AQTION) ein laseroptischer Aufbau realisiert, mit dem sich Ionen in der Ionenfalle eines Quantencomputer manipulieren lassen.

In einem Quantencomputer, der als Speichereinheiten die sogenannten »Ionen-QuBits« nutzt, werden die Ionen in elektromagnetischen Fallen gehalten und können dank der Adressieroptik des Fraunhofer IOF mittels Laserstrahlen kontrolliert werden.

Laserbasierte Adressieroptik für eine Ionenfalle des Quantencomputers. — © Fraunhofer IOF
Laserbasierte Adressieroptik für eine Ionenfalle des Quantencomputers der nächsten Generation, der im Rahmen vom Projekt AQTION entwickelt wird.

Laserbasierte Adressieroptik für einen Quantencomputer. — © Fraunhofer IOF
Mit der Adressieroptik lassen sich in einem ionenfallen-basierten Quantencomputer Ionen mit Laserstrahlen manipulieren.

© Fraunhofer IOF
Detailaufnahme der Adressieroptik.

Technologien für QuantenComputer

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