Smarte Quantentechnologien

 

Unsere innovativen Entwicklungen sind die Grundlage für smarte Quantentechnologien: Wir entwickeln Laser und Komponenten für die Erzeugung von Quanten, setzen uns mit Produktionstechniken auseinander und entwickeln komplette Module und Systeme für die Quantentechnologien. Dazu arbeiten wir an neuen faserbasierten Komponenten, innovativen Konzepten für Wellenleiter und automatisierter Assemblierung. Damit wollen wir zukünftig kompakte und industrietaugliche Anwendungen für Quantentechnologien etablieren, wie Quantencomputer, Quantensensorik oder Quantenkommunikation.

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Laser für Quantentechnologien

Laser sind Enabler für die Quantentechnologien. Neuartige, smart designte Lichtquellen bilden das Grundgerüst für eine Vielzahl quantenoptischer Verfahren. Wir setzen unser umfangreiches Wissen in der Laserentwicklung z.B. dafür ein Laser zur Erzeugung verschränkter Photonen sowie zur Kühlung von Atomfallen weiterzuentwickeln und damit die technologischen Grundlagen für die Quantentechnologien zu erweitern.
 

Anregungsquellen für Quantensysteme

Einzelphotonen oder verschränkte Photonenpaare sind notwendig für eine Vielzahl von quantenoptischen Anwendungen. Neuartige Messmethoden wie beispielsweise die Quantenfrequenzkamm-Interferometrie ermöglichen bisher unerreichbare Sensitivitäten von Sensorsystemen. Der Schlüssel hierzu sind ultraschmalbandige, gepulste Lasersysteme. Wir nutzen modengekoppelte Lasersysteme mit spektralen Bandbreiten von wenigen Gigahertz. Diese werden an nanophotonische Mikro-Ringresonatoren gekoppelt, um effizient verschränkte Photonenpaare in einem Vier-Wellen-Mischprozess zu erzeugen. Außerdem beschäftigen wir uns mit weiteren Anregungswellenlängen im sichtbaren sowie im Nahinfrarot- und Infrarot-Bereich (VIS-NIR-IR).

Laser für Atomfallen und -interferometrie
Für Dipolfallen entwickeln wir robuste und leistungsfähige, kontinuierlich emittierende Faserlaser im Bereich um 2 µm weiter, die bereits unter Mikrogravitation in Fallturmexperimenten erfolgreich getestet wurden. Für die Laserkühlung und Atominterferometrie arbeiten wir sowohl an einfrequenten, effizienten, diodengepumpten Festkörperlaserquellen als auch an frequenzverdoppelten schmalbandigen Faserlasersystemen mit Ausgangsleistungen von mehreren 10 W bei beispielsweise 780 nm. Diese benötigt man etwa für Rubidium-Atome.

Produktionstechniken für die Quantentechnologien

Wir entwickeln und forschen nicht nur an Komponenten und Systemen für Quantentechnologien, wir arbeiten außerdem daran, unser Knowhow zu optischen Produktionstechniken stärker in die quantentechnologische Anwendung zu bringen. Mit unseren Ansätzen und Methoden wollen wir Quantensysteme beispielsweise kompakter und kostengünstiger machen.
 

Assemblierung von Quantentechnologie-Komponenten
Für hochintegrierte photonische Systeme ist eine präzise Assemblierung der einzelnen Komponenten notwendig, um verlustarme Bauteile zu entwickeln. Wir arbeiten an Methoden, um dies industrietauglich zu automatisieren. Weiterhin beschäftigen wir uns mit Chip-Handling und Faserankopplung. Außerdem arbeiten wir an Methoden zur optischen und elektrischen Kontaktierung von optoelektronischen Bauteilen sowie der hochaufgelösten aktiven und passiven Justage. Zur direkten Qualitätssicherung führen wir eine optische Strahlcharakterisierung und –optimierung während der Assemblierung durch.
Mikro- & Nanostrukturierung
Mikro- und nanophotonische Strukturierungen sind der Schlüssel zu effizienten quantenoptischen Bauteilen und Komponenten. Mit Zwei-Photonenpolymerisation lassen sich generativ gefertigte Polymer-Wellenleitern herstellen und somit resonante, phasenangepasste Strukturen erzeugen. Solche gedruckten Modenfeldkonverter zwischen verschiedenen Bauteilen (on chip Interconnects) verringern Überkoppelverluste und steigern so die Effizienz. Außerdem arbeiten wir an Laserstrukturierungsprozessen für Piezo-basierte durchstimmbare Quantenemitter und an mikrostrukturierten Keramiken für Atomfallen.
Hochpräzise Faserbearbeitung
Mit hochpräziser Faserbearbeitung stellen wir sicher, dass möglichst wenige Einzelphotonen innerhalb der optischen Komponenten verloren gehen. Dafür arbeiten wir an optimierten Spliceverfahren, um die Übergänge zwischen verschiedenen Komponenten und Faserstrecken nahezu verlustfrei zu verbinden. Wir nutzen CO2-Laser für die Bearbeitung von Cladding- und Kernstrukturen. Damit können wir zum Beispiel langperiodische Gitter (Long-Period Gratings; LPG) für die Modenkonversion von Einzelphotonen erzeugen, um auch höhere transversale Quantenzustände zu erreichen.
Optimierte Schichtherstellung
Seit Jahrzehnten sind wir Vorreiter in der Entwicklung von optischen Schichtsystemen für höchste Anforderungen. Wir entwickeln kundenspezifische Beschichtungen und führen Charakterisierungen an Eigen- und Fremdentwicklungen durch. Wir arbeiten an Prozessen zum Schichttransfer, die die Herstellung von freitragenden Schichten und miniaturisierten Filtern ermöglichen. Außerdem beschäftigen wir uns mit der Herstellung nichtlinearer photonischer Materialien, die etwa als aktive optische Schalter dienen können. Sind spezielle physikalische Materialeigenschaften wie zum Beispiel definierte Bandlücken und Brechungsindizes notwendig, maßschneidern wir die notwendigen quantenoptimierten Schichtsysteme.

Quantenphotonische Komponenten

Wir erforschen speziell für Quantensysteme ausgelegte optische Komponenten. Dafür arbeiten wir an optimierten Faser- und Wellenleiterkomponenten und kombinieren diese mit unserem Wissen über nichtlinearen Materialien, um mikrointegrierte Quantenkomponenten zu fertigen. Unsere Forschung soll die Grundlage für den industriellen Einsatz von Quantentechnologien legen.
 

Wellenleiteroptik für die Quantentechnologie
Wir stellen Faser- und Wellenleiterkomponenten her, die speziell an die Anforderungen der Quantentechnologien angepasst sind und verbessern diese stetig. Dazu arbeiten wir an monolithischen Faserkomponenten ohne zusätzliche Schweißverbindungen und mit sehr geringen Verlusten. Außerdem beschäftigen wir uns mit der Simulation und Herstellung von Modenfeldkonvertern für unterschiedliche Faser- und Wellenleitergeometrien, um verlustarme Verbindungen zwischen verschiedenen Bauteilen herzustellen. Mit faserbasierten, transversalen Modenkonvertern lassen sich zudem komplexe Quantenzustände erzeugen. Weiterhin stellen wir im 3D-Druck Wellenleiter mit anpassbaren Phasen her.
Mikrointegrierte Quantenkomponenten
Zur Erhöhung des Integrationsniveaus von Quantensystemen bei gleichzeitig hohen Effizienzen müssen die bestehenden quantenphotonischen Konzepte mit einer Vielzahl diskreter Einzelkomponenten deutlich kleiner und kompakter werden. Nur dann können diese Systeme Industrietauglichkeit erreichen. Mikrointegrierte Quantenkomponenten als Hybridlösung bieten hierfür viele Vorteile wie geringe Verluste und einfache Vernetzbarkeit mit Hilfe klassischer Glasfasern. Weiterhin lassen sich durch unsere miniaturisierten, freitragenden Schichtsysteme weitere optische Funktionen wie Signalfilterung, optische Schalter oder auch Phasenkontrolle direkt integrieren.
Nichtlineare photonische Materialien
Nichtlineare photonische Materialien verleihen optischen Komponenten neue Eigenschaften. Wir beschäftigten uns mit maßgeschneiderten Bandlücken und Brechungsindizes durch Quantennanolaminate. Außerdem entwerfen wir Schichtsysteme zur effizienten Erzeugung verschränkter Photonen. Auch um das Schalten von Licht in nur wenigen Mikrometer dünnen optischen Schichten möglich zu machen, nutzen wir nichtlineare Materialeigenschaften. Wir arbeiten daran, die Schaltschwellen kontinuierlich herabzusetzen. Dabei ist es uns bereits gelungen, die Frequenzkonversion in Spiegelschichten zu integrieren und die Dritte Harmonische zu erzeugen.

Module und Systeme für Quantentechnologien

Von individuellen Modulen zur Erzeugung verschränkter Photonenpaare durch spontane parametrische Abwärtskonversion bis hin zu kompletten faservernetzten Systemen und Quantenlichtquellen, forschen wir an Schlüsseltechnologien für Quantentechnik und bereiten diese für den Industrieeinsatz vor.
 

Module für Quantentechnologien
Mit verschränkten Photonenpaaren lässt sich eine Vielzahl quantenoptischer Anwendungen realisieren. Erzeugen lassen sich diese verschränkten Photonenpaare auf unterschiedliche Weise, wie zum Beispiel durch Polarisations- oder Frequenzverschränkung. Die Entwicklung fasergekoppelter Module mit Plug-and-Play-Betrieb steht für unsere Forschung derzeit im Mittelpunkt, denn diese ebnen den Quantentechnologien den Weg in den industriellen Einsatz.
Fasernetzwerke
Bei der Weiterleitung von Signalen in faseroptischen Netzwerken kommt es zum Verlust an Informationen. Für die Transmission von einzelnen Photonen über weite Strecken ist dies besonders kritisch. Daher arbeiten wir an splice-armen Fasernetzwerken, um diese Verluste zu minimieren und gleichzeitig die Komponenten, Module und Lichtquellen zu vernetzen – möglich wird das durch unsere langjährige Expertise im Bereich der Fasertechnik.
Herstellung und Skalierung von Quantenlichtquellen
Um das Quantencomputing, das Quanteninternet und die Quantensensorik industrietauglich zu machen, braucht es hochintegrierte Quantenlichtquellen, die eine Vielzahl verschränkter Photonen in speziellen Zuständen erzeugen. Wir kombinieren unterschiedliche Herstellungsprozesse wie Ionenstrahlsputtern, Molekularstrahlepitaxie, Zwei-Photonenpolymerisation, Faserkopplerfertigung und automatisierte Montage, um diesem Ziel näher zu kommen und zukünftig skalierbare Quantenlichtquellen herzustellen.