Mit präzisester Optik und Feinmechanik die Welt der Quanten nutzbar machen.

Quantentechnologien für Kommunikation und Mikroskopie

Das Fraunhofer IOF präsentiert sich auf der CES 2021

Die CES 2021 ALL-DIGITAL findet vom 11. bis 14. Januar statt.

Zukunftsweisende Technologien aus der Welt der Lichtquanten – das Fraunhofer IOF präsentiert neueste cutting-edge Technologien der Optik und Photonikforschung auf einer der größten Elektronikmessen: der Consumer Electronics Show (kurz: CES).   

Vom 12. - 13. Januar stellen unsere Expertinnen und Experten »Photonics - Made in Jena« vor. Präsentiert werden am digitalen Messestand neueste Quantentechnologien für die Anwendungen im Bereich Kommunikation und Mikroskopie.

Unsere Messe-Exponate 2021

Quantenkommunikation

Erklärungen zum Funktionsprinzip der vom Fraunhofer IOF entwickelten verschränkten Photonenquelle zur Quantenkommunikation.

Verschränkte Photonenquelle für abhörsichere Quantenkommunikation

 

Im Zeitalter der digitalen Transformation müssen schon heute die Daten vor Cyberangriffen von morgen geschützt werden. Ein innovatives Verfahren im Bereich der Verschlüsselung ist die sogenannte »Quantum Key Distribution«, kurz QKD. Sie soll verhindern, dass sensible und sicherheitsrelevante (Unternehmens-)Daten bereits heute abgespeichert und morgen, mithilfe leistungsfähigerer Rechner, ausgelesen werden können.

Die QKD bezeichnet den hochsicheren Austausch von Quantenschlüsseln. Das Chiffrieren und Dechiffrieren der auszutauschenden Daten bei Sender und Empfänger erfolgt dabei mit einem Schlüssel, der durch den Austausch verschränkter Photonen erzeugt wird. Durch die quantenmechanische Verschränkung der an Sender und Empfänger gerichteten Photonen ist der Schlüssel physikalisch besonders sicher. Aus diesem Grund wird die QKD als Zukunft der verschlüsselten Kommunikation angesehen.

Am Fraunhofer IOF wurde eine stabile, weltraumtaugliche Quelle für verschränkte Photonenpaare (kurz EPS) entwickelt. In der EPS wird ein nichtlinearer, periodisch gepolter Kristall von zwei Seiten in der Anordnung eines Sagnac-Interferometers gepumpt. Mit dieser Quelle wird ein wesentlicher Beitrag zur technischen Realisierung für QKD geliefert.

 

Datenblatt: Quelle für verschränkte Photonen zur satellitengestützten Kommunikation

 

Blick ins Innere der Photonenquelle, wo die stabilen verschränkten Photonenpaaren erzeugt werden.
Blick in das Innere des periodisch gepolten KTP-Kristall, in dem die stabilen polarisationsverschränkten Photonenpaaren erzeugt werden.
  Blick auf eine Spiegeltreppe im zweistufigen interferometrischen Aufbau.
Blick auf eine Spiegeltreppe im zweistufigen interferometrischen Aufbau.

Quantenbildgebung

Erklärungen zum Funktionsprinzip der Quantenbildgebung und einem aufgezeichneten Quantenvideo.

Quantengestützte Bildgebungssysteme für die Mikroskopie

Am Fraunhofer IOF wurde eine Methode weiterentwickelt, mit der sich lichtempfindliche Proben über lange Zeit mit hoher Auflösung beobachten lassen. Diese Technologie ist besonders für die Bereiche der Lebenswissenschaften (wie etwa Biologie und Medizin) 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 von miteinander verschränkten Photonenpaaren. Beide Photonen eines verschränkten Photonenpaares können voneinander unabhängige und unterschiedliche Wellenlängen besitzen. Dies erlaubt, Informationen von medizinischen Proben mit einer für die Probe unschädlichen Dosis Licht, einer für die Analyse optimalen Wellenlänge, zu gewinnen. Diese Informationen lassen sich über einen Detektor am Mikroskop mittels einer anderen, für die Detektion idealen Wellenlänge, sichtbar machen.

Mithilfe eines sogenannten »Einkristall-Setups« ist es gelungen, Quantenbilder und -videos zu generieren (siehe Video anbei).

 

Datenblatt: Quantengestützte Bildgebungssysteme

Laboraufbau zur Erzeugung von Quanten-Bilder.
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.
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 Ergebnis finden Sie im obigen Video zum Funktionsprinzip der Quantenbildgebung.