Quantum Photonics 2025 | 13. Bis 14. Mai 2025
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Quantum Photonics 2025
Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmchanik IOF leistet Pionierarbeit in der angewandten Forschung zur Quantenphotonik für wissenschaftliche und industrielle Anwendungen. Vom 13. bis 14. Mai 2025 präsentiert das Institut seine anwendungsorientierte Forschung auf der erstmalig stattfindenden Quantum Photonics 2025 – eine Kongressmesse mit Fokus auf Quantentechnologien und Photonik.
Das Projekt QuNET - eine Initiative des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR; ehemals Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)) zur Erforschung hochsicherer Quantenkommunikation für Behörden und kritische Infrastruktur - wird ebenfalls aktuelle Forschungsergebnisse und Technologien auf der Messe vorstellen.
Entdecken Sie neuste Quantenforschung in der Messe Erfurt, Halle 2 Stand 2-710. Wir freuen uns auf Ihren Besuch.
Erfahren Sie auf dieser Seite mehr über unsere Highlight-Exponate, Präsentationen und Expertengespräche.
Exponate und Präsentationen auf der Quantum Photonics 2025
Erleben Sie Spitzenforschung in der Quantentechnologie – von Kommunikation und Kryptografie bis Imaging und Computing und tauschen Sie sich mit unseren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern über aktuelle Forschungsprojekte und technologische Innovationen aus.
Exponate
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.
Detailaufnahme der Adressieroptik.
Fasergebundener Wellenleiterchip
Auf unserem Messestand zeigen wir eine Faser-zu-Chip-Kopplung mit Faser-zu-Chip-Kopplung mit 12 polarisationserhaltenden Fasern, die mittels eines optisch angepassten Klebstoffs mit einem Wellenleiterchip verbunden sind. Die Fasern wurden entsprechend ihrer optischen Leistung und Polarisation aktiv ausgerichtet und integriert. Die Faser-zu-Chip-Kopplung ist bei 390 nm UV-fähig und überträgt zirkulare Modenprofile mit Elliptizitäten >0,99.
Faserschweißmaschine für die Faser-Chip-Kopplung.
Optischer Multiplexer für die Quantenkryptografie
Für eine Quelle, die nicht unterscheidbare, polarisationsverschlüsselte Photonen zur Quantenschlüsselverteilung erzeugt, wurde ein sehr kompakter optischer Multiplexer entwickelt. Dieser enthält einen photonischen Chip, der den zentralen Signalkombinierer in der Quelle bildet und mit Temperatursonden und thermoelektrischen Elementen aktiv thermisch geregelt wird. Die optische Eingabe erfolgt über lithografische Mikrolinsen, die das Licht in die Wellenleiterkanäle koppeln, während die Ausgabe über eine gekoppelte Faser stattfindet.
Kompakter optischer Multiplexer mit integrierter Temperaturkontrolle.
Fraunhofer IOF entwickelt unterschiedliche Quellen für verschränkte Photonenpaare
Das Fraunhofer IOF entwickelt eine Bandbreite an verschränkten Photonenpaarquellen für verschiedene Einsatzszenarien mit Rekordhaltenden Parametern. Solche verbundenen oder »verschränkten« Photonenpaare sollen in Zukunft in sicheren Verschlüsselungstechnologien (wie bei der sogenannten »Quantum Key Distribution«, kurz: QKD) verwendet werden.
Weltraumtaugliche verschränkte Photonenpaarquelle basierend auf Sagnac-Loop Interferometrie
In der hier gezeigten 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.
Stabile, weltraumtaugliche Quelle für verschränkte Photonenpaare.
Hochkompaktes Modell einer robusten quantenverschränkten Photonenpaarquelle mit zweifachem Strahlversatz
Hier zeigen wir ein technisches Beispielmodell einer kompakten und leistungsfähigen Quelle verschränkter Photonen. Sie kann mit Millionen von Photonenpaaren pro Sekunde und pro Milliwatt Laser-Pumpleistung betrieben werden, während ihr breitbandiges Lichtspektrum Multiplexing-Fähigkeiten ermöglicht. Die Quellenenarchitektur mit zweifachem Strahlversatz wurde für die Verschränkungsverteilung in quantenkryptografischen Anwendungen von Verschränkungen über städteübergreifende Glasfasernetze in Deutschland für Anwendungen in der Quantenkryptografie getestet.
Hochkompakte verschränkte Photonenpaarquelle mit zweifachem Strahlversatz.
Kompakte verschränkte Photonenquelle für QKD im Weltraum
Die präsentierte verschränkte Photonenquelle ist ein robustes und kompaktes System, das für die sichere Quantenkommunikation in Weltraumanwendungen entwickelt wurde. Unter Verwendung eines Sagnac-Loop-Interferometers ist die Quelle in einem Gehäuse von 180 mm x 85 mm x 42 mm untergebracht und nimmt weniger als eine Standardeinheit ein. Dieses miniaturisierte und dennoch effektive System wurde für Cubesats in der erdnahen Umlaufbahn entwickelt und gewährleistet Resilienz in anspruchsvollen Weltraumumgebungen.
Modell einer weltraumtauglichen verschränkten Photonenquelle mit zweifachem Strahlversatz.
Modell einer weltraumtauglichen verschränkten Photonenpaarquelle (EPS) für die Weltraumqualifizierung mit zweifachem Strahlversatz
Wir zeigen hier das Modell eines optomechanischen, 15 cm x15 cm kompakten Prototyps einer verschränkten Photonenpaarquelle (EPS) mit zweifachem Strahlversatz. Diese EPS wird für den LEO, eine niedrige Erdumlaufbahn, entwickelt und beinhaltet unter anderem die Polarisationsjustage des Pumpstrahls und einen Ausgangskollimator, um die verschränkten Photonen weiterzuverteilen. Der derzeitige Prototyp soll im Rahmen des EU-geförderten QUDICE-Projekts den Vibrations- und TEVAC Test als Teil der Weltraumtauglichkeitsprüfungen durchlaufen.
OGS-Modell
Modell der optischen Bodenstation Jena (OGS für Optical Ground Station) für Laser- und Quantenkommunikation mit Satelliten. Die in Installation befindliche Bodenstation wird über ein Spiegelteleskop mit 80 cm Durchmesser verfügen, optimiert für 810 nm und 1550 nm (niedrige Verluste, polarisationserhaltend). Folgeoptiken können an zwei Nasmyth-Ports an den Teleskopachsen montiert oder im Coudé-Labor unter dem Teleskop aufgebaut werden.
Optische Bodenstation auf dem Dach des dritten Gebäudes des Fraunhofer IOF in Jena.
Kompakte SPDC-Quelle in MIR und VIS für Quantum Ghost Imaging – FastGhost
Kompakte Lichtquelle im mittleren Infrarotbereich für das Fast Ghost-Projekt. Ein 40 mm langer nichtlinearer PPLN-Kristall wird von einem 405 nm CW-Laser gepumpt. Der Pumpstrahl wird über eine einmodige EinmodenFfaser gekoppelt und wird kollimiert, um sich durch den Kristall auszubreitengeführt. Über Mittels spontaner Abwärtskonversion (engl. SPDC) wird ein Photonenpaar erzeugt, wobei ein Photon im MIR-Spektralbereich (3,4–4 um) liegt, während das sichtbare zweite Photon im sichtbaren Bereich (450–460 nm) zu finden ist. Nach entsprechender Manipulation (Filterung) der Photonen werden die MIR- und VIS-Photonen fasergekoppelt, um verschiedene Bildgebungsschemata umzusetzen, wie beispielsweise Quantum Ghost Imaging, bei dem die Leistungsfähigkeit der Bildgebung im Vergleich zu klassischen Implementierungen eine Verbesserung des Signal-zu-Rauschverhältnisses zeigt. Diese Verbesserung ist auf die zeitlichen Korrelationen zwischen den Photonenpaaren zurückzuführen, die ein niedrigeres Rauschlevel ermöglichen, indem das Zeitfenster für die Detektion sehr eng gesetzt wird.
Simulation einer Quantenbildgebungsanlage.
4-Moden-LNOI-Interferometer
Der Lithium-Niobat-Wellenleiterchip mit Mach-Zehnder-Interferometer, einschließlich optisches und elektrisches Packaging, bildet das Herzstück eines photonischen Quantencomputers. Der Wellenleiterchip wurde im Rahmen des PhoQuant-Projekts entwickelt.
Lithium-Niobat-Wellenleiterchip mit Mach-Zehnder-Interferometer.
Silizium-Nitrid 400 nm Plattformtechnologie für photonische Integration
Das Fraunhofer IOF präsentiert einen 4-Zoll (100 mm) Wafer, mit integrierten photonische Bauelementen auf Basis von 400 nm verlustarmem Silizium-Nitrid (SiN). Anerkannt für sein breites Transparenzfenster, seine hohe Leistungsfähigkeit und CMOS-Kompatibilität, ist SiN ein unverzichtbares Material in der modernen integrierten Photonik. Dieser Wafer umfasst wesentliche passive Komponenten wie Wellenleiter, Gitterkoppler, Richtkoppler, MMIs, Ringresonatoren, MZIs und Modenkonverter, die ein breites Spektrum von Anwendungen von Quantenoptik bis Telekommunikation und Sensorik unterstützen.
Hergestellt im Reinraum des Instituts unter Verwendung von CMOS-kompatiblen Prozessen, gewährleistet der Wafer eine gleichmäßige SiN-Filmqualität und geringen optischen Propagationsverlusten. Sein Layout ist optimiert für das Testen und Prototyping von photonischen integrierten Schaltkreisen (PICs) und bietet eine skalierbare Plattform für Forschung und industrielle Entwicklung. Erfolgreiche Tests auf dem 4-Zoll-Wafer können in den Fraunhofer IOF-Einrichtungen nahtlos auf 12-Zoll-Wafer skaliert werden, was einen Weg für die großflächige Produktion und Entwicklung bietet.
Das Fraunhofer IOF bietet Foundry-Dienstleistungen mit Fokus auf die Integration hybrider Materialien, die eine präzise und effiziente Entwicklung photonischer Technologien ermöglichen. Arbeiten Sie mit uns zusammen, um unsere Expertise und Einrichtungen für Ihre nächste Innovation zu nutzen.
4‘‘ Silizium Nitrid Wafer mit integrierten photonischen Bauelementen.
Fraunhofer IOF Process Development Kit (PDK): Ein umfassendes Werkzeug für photonische integrierte Schaltungen
Der Auszug aus dem Fraunhofer IOF Process Development Kit (PDK) bietet einen strukturierten Überblick über die verfügbaren Bauteile für photonische integrierte Schaltungen (PIC) auf der SiN 400 nm-Plattform. Er enthält detaillierte Spezifikationen, Layout-Vorschauen und Leistungsdaten für wichtige Bausteine wie Wellenleiter, Koppler, Interferometer und Mikroringresonatoren. Das Dokument enthält außerdem Designregeln, Informationen zum Prozessstapel und Testergebnisse und dient somit als praktische Referenz für gemeinsame Designprojekte.
QuNET-Initiative
Teleskopsystem für die Quantenkommunikation
Das Fraunhofer IOF entwickelt gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Wirtschaft im Rahmen der QuNET-Initiative die physikalisch-technischen Grundlagen von Quantenkommunikationssystemen und optischer Linktechnologien für den Einsatz in realer Infrastruktur – zielgerichtet für die Anwendung in Hochsicherheitsnetzen. Hier präsentiert das Institut ein leichtgewichtiges, miniaturisiertes Teleskop als Empfangs- und Sendeeinheit für die optische Freistrahlverbindung für QKD. Das metalloptische Teleskop aus einem Aluminium-Silizium Werkstoff beruht auf einem Vierspiegel-Design mit einer Apertur von 100 mm. Es vereint eine Topologie optimierte, additiv gefertigte Gehäusestruktur mit einem aktiven Tip-Tilt Spiegel und weiteren fünf optischen Funktionsflächen auf zwei Substraten. Die Fertigung von mehreren optischen Funktionsflächen auf einem Substrat wird durch eine ultrapräzise Diamantbearbeitung als Freiformfläche ermöglicht. Weitere Prozessschritte wie Beschichtung und Politur erzeugen die finale Hochleistungsoptik für das Teleskop.
Teleskop System für Quantenkommunikation.
13.05. Eröffnungsvortrag
Eröffnung der Quantum Photonics 2025
Eröffnungsvortrag der 1. Ausgabe der Quantum Photonics moderiert durch den Institutsleiter des Fraunhofer IOF, Prof. Dr. Tünnermann, Staatssekretär Mario Suckert und den Geschäftsführer der Messe Erfurt, Michael Kynast.
Datum: 13. Mai 2025
Uhrzeit: 10:00 bis 10:30 Uhr
Wo: Halle 2
14.05. Keynote
Quantenoptik auf Chipebene: Herausforderungen überwinden, Marktchancen nutzen
Referent: Dr. Sebastian W. Schmitt
Die Integration quantenoptischer Bausteine auf Chips ermöglicht ultrasichere Kommunikation, präzise Sensorik und schnellere KI. Fraunhofer IOF entwickelt innovative Lösungen für skalierbare, CMOS-kompatible Technologien.
Die Integration quantenoptischer Bausteine auf Chipebene eröffnet neue Möglichkeiten, die Vorteile der Quantenoptik in den Alltag zu bringen. Dies ermöglicht bahnbrechende Anwendungen wie ultrasichere Kommunikation, hochpräzise Sensorik, schnellere KI-Verarbeitung und fortschrittliche medizinische Diagnostik. Mit einem erwarteten Milliardenmarkt für Quantentechnologien in den kommenden Jahren sind skalierbare On-Chip-Lösungen der Schlüssel zur breiten Akzeptanz und Kommerzialisierung.
Allerdings bringt die Integration quantenoptischer Komponenten auf dieser Skala erhebliche Herausforderungen mit sich – insbesondere bei der Materialauswahl und Fertigung. Hochreine Materialien, präzise Nanofabrikationstechniken und eine nahtlose Integration in bestehende Halbleitertechnologien sind erforderlich, um die Quantenkohärenz und Effizienz zu erhalten. Am Fraunhofer IOF werden diese Herausforderungen gezielt angegangen: von der präzisen Berechnung der Wellenleiter-Modendynamik über die Entwicklung und das Design von Bauelementen bis hin zur hochpräzisen Fertigung in einer 300-nm-Reinraumumgebung.
Der Vortrag stellt innovative Lösungsansätze vor, um Quantenzustände von Licht gezielt zu erzeugen und zu modifizieren – durch Fortschritte in der modernen Materialwissenschaft und Nanotechnologie. Im Fokus stehen dabei Bauelemente zur Erzeugung und Modulation von Signal- und Idler-Photonen mit unterschiedlichen Frequenzen und Polarisationen, realisiert auf CMOS-kompatiblen Plattformtechnologien wie Siliziumnitrid (Si₃N₄), Lithiumniobat (LiNbO₃) und Bariumtitanat (BaTiO₃).
Panel-Vorträge QuNET
“The QuNET Initiative: Highly secure communication through quantum physics”
- Referent: Prof. Fabian Steinlechner
- 13.05.2025
- 13:30-13:40 Uhr
"Ad-hoc hybrid heterogeneous metropolitan-range quantum key distribution network”
- Referent: Dr. Thorsten Albert Goebel
- 13.05.2025
- 13:40-14:00 Uhr
"Telescopes for QKD – based on metal optics”
- Referent: Dr. Nils Heidler
- 13.05.2025
- 15:00-15:20 Uhr
Panel-Vorträge
"Quantum Microscopy in the mid-Infrared”
- Referent: Dr. Valerio Gili
- 14.05.2025
- 13:30-14:00 Uhr
"Photonics Packaging for Quantum Technologies”
- Referenten: Michael Reibe, Marcus Babin
- 14.05.2025
- 13:20-13:40 Uhr
Photonisches Packaging ist eine Schlüsseltechnologie für den Aufbau leistungsfähiger Quantensysteme über das Laborstadium hinaus. In diesem Vortrag wird erläutert, wie wir verschiedene Aufbau- und Verbindungstechniken, darunter aktive Faserkopplung und Mikrolinsenarray-Ausrichtung, nutzen, um integrierte photonische Systeme zu entwickeln, beispielsweise Adressierungseinheiten für das Quantencomputing mit Ionen und optische Multiplexer für die Quantenkommunikation.
Treffen Sie unsere Experten
Kommen Sie mit unseren Forschenden ins Gespräch. In den untenstehenden Zeiträumen haben Sie die Möglichkeit direkt mit Experten des Fraunhofer IOF über fachspezifische Themen an unserem Stand 2-710, Halle 2 in den Austausch zu treten. Wenden Sie sich auch gern im Vorfeld an die Kollegen, um einen Termin zu vereinbaren.
Dr. Erik Beckert – Hybride Systemintegration komplexer opto-mechatronischer Baugruppen
Dienstag, 13.05. von 10 - 11 Uhr
Michael Reibe – Photonisches Packaging
Dienstag, 13.05. von 14 - 15 Uhr
Marcus Babin – Laseradressiereinheiten für Quantencomputer
Mittwoch, 14.05. von 14 - 15 Uhr