Neue Beschichtungen für Quantenanwendungen

Forschungsprojekt »Qzell« entwickelt hochtransparente Antireflexschichten für Quantenexperimente

Um die Entwicklung hochtransparenter optischer Komponenten für zukunftsweisende Quantenanwendungen geht es in einem neuen Forschungsprojekt, koordiniert am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF: Das Projekt »Qzell« erforscht Antireflexschichten, welche die notwendige Transparenz einer Quarzzelle und weiterer optischer Komponenten realisieren sollen. Neben dem Quantencomputing sind Anwendungen der neuen Beschichtungen auch in der Quantenkommunikation oder bei Kameraobjektiven denkbar.

Dort wo klassische (Super-)Computer an ihre Grenzen kommen, kann das »Quantencomputing« eine Lösung sein. Durch die Quantentechnologie kann diese neue Generation von Computern effizient hochkomplexe Problemstellungen lösen und ist somit beispielsweise für Bereiche wie Medizin von großer Relevanz.

Für das Quantencomputing werden dabei vakuumdichte Küvetten, sogenannte »Quarzzellen«, benötigt. In ihnen werden die atomaren Qubits – die kleinsten Speichereinheiten in einem solchen Quantencomputer – in einem Ultra-Hochvakuum präpariert. Diese Quarzzellen benötigen verschiedene hochtransparente und teilweise auch gleichzeitig leitfähige Beschichtung, um Reflexe bzw. Spiegelungen zu minimieren. Derlei Spiegelungen werden von mehreren Lasern verursacht, welche zur Kühlung sowie zur Manipulation von einzelnen großen Atomen genutzt werden. Die Reflexminderung stellt eine besondere Herausforderung dar, da verschiedene breite Spektralbereiche und große Lichteinfallswinkel adressiert werden müssen. Andererseits müssen die Schichten die Bedingungen des Ultra-Hochvakuums erfüllen.

Laboraufbau Quantenbildgebung
© Fraunhofer IOF
Bei quantentechnologischen Aufbauten werden verschiedene optische Komponenten genutzt, um Lichtstrahlen zu leiten. Um dabei Verluste z. B. durch Spiegelungen zu reduzieren, werden diese Komponenten mit funktionellen Beschichtungen entspiegelt.

Das Projekt »Qzell« nimmt sich diesem Problem an und erforscht Antireflexschichten, die neben kompakten Schichten auch Nanostrukturen enthalten. So soll die geforderte Transparenz der Quarzzelle sowie von weiteren angrenzenden optischen Komponenten erreicht werden. Im Verbundvorhaben werden, zusammen mit Industriepartnern, besonders absorptionsarme Nanostrukturen und neue leitfähige Materialien erforscht, um neben der Transparenz auch die elektromagnetische Abschirmung realisieren zu können. Im Gesamtvorhaben werden außerdem auch Designkonzepte für ein Objektiv und Ultrahochvakuum-taugliche Oberflächen- und Fügeverfahren erprobt.

Das Forschungsvorhaben wird mit 3,3 Millionen Euro Projektvolumen umgesetzt. Rund 77% davon werden durch das Bundesministerium für Forschung und Bildung (BMBF) innerhalb des Rahmenprogramms »Quantentechnologien – von den Grundlagen zum Markt« gefördert.