Datenübertragung per Glasfaser und Laser, GPS-Systeme oder Computer und Smartphones mit kompakter Siliziumtechnologie haben unser Leben nachhaltig verändert. Die moderne Kommunikation und das Internet wären ohne diese erste Generation von Quantentechnologien, die noch viele weitere nützliche Anwendungen hervorbrachte, nicht möglich.
Mit der Weiterentwicklung zu Quantencomputern und Quanteninternet steht nun ein nächster Paradigmenwechsel bevor, bei dem sich bisher ungenutzte physikalische Effekte für neuartige Anwendungen einsetzen lassen. Standen bislang kollektive Teilchenphänomene im Vordergrund, ist es heute möglich, einzelne Photonen und Quantenzustände gezielt zu manipulieren und zu kontrollieren. Nutzen lässt sich dies zum Beispiel für die Quantenkommunikation, das Quantencomputing oder beim Quantenimaging.
Die Photonik ist ein Schlüssel für neuartige Anwendungen auf quantentechnologischer Basis: Laserlicht mit maßgeschneiderten Eigenschaften und hochpräzise optische Elemente und Komponenten ermöglichen den Aufbau und die Nutzung der anspruchsvollen Systeme sowie die nötige Manipulations- und Messtechnik.
Gemeinsam mit deutschen und internationalen Spitzenforschern entwickeln die Wissenschaftler des Fraunhofer ILT ein breites Portfolio von Lösungen für neue Quantentechnologien. Dazu zählen parametrische Photonenquellen und Frequenzkonverter, integrierte optische Komponenten, Packagingverfahren und anwendungsspezifische Systemtechniken.
Insbesondere Strahlquellen mit maßgeschneiderten Eigenschaften und präzise Aufbautechnologien für optische Komponenten und Systeme sind für den Bereich der Quantentechnologien von großem Interesse. Zudem stehen die Kompaktheit und ein hoher Integrationsgrad der Systeme im Fokus der Entwicklungen. Das Fraunhofer ILT verfügt hier über viel Erfahrung und robuste Technologieplattformen, unter anderem aus der Entwicklung satellitenbasierter Laser und Komponenten für die Klimaforschung.
Die Aachener Forscher optimieren beispielsweise Einzelphotonen-Quellen (SPDC-Quellen) mit sehr hohen Signal-zu-Rausch-Verhältnissen und realisieren Wellenleiter, Koppler und Filter in Gläsern und Kristallen für das Quantenimaging und die Fingerprint-Spektroskopie. Einen weiteren Forschungsschwerpunkt bilden Quanten-Frequenzkonverter (Quantum Frequency Converter, QFC) für die Anbindung von Qubits an Glasfasernetze, womit sich Quantencomputer zukünftig in Netzwerken verbinden lassen. Im Hinblick auf eine fortschreitende Miniaturisierung werden die Komponenten und Systeme dabei kompakt und robust designt.
Wissenschaftliche Institutionen und Partner aus der Industrie haben verschiedene Plattformen und Projekte für die Entwicklung neuer Quantentechnologien initiiert. Auf den Ebenen des Landes NRW, des Bundes und der Europäischen Union werden Konzepte, die aktuell noch in frühen Entwicklungsphasen stecken, in verschiedenen Vorhaben bezüglich ihres Markt- und Anwendungspotentials bewertet und lohnende Ansätze im Hinblick auf ihre technologische Reife systematisch weiterentwickelt.
Am Standort Aachen sorgt die Nähe zwischen Fraunhofer ILT, der RWTH Aachen University und dem Forschungszentrum Jülich für einen fruchtbaren Austausch von Know-how, Technik und Ideen. Regionale Kooperationen sowie die Zusammenarbeit mit internationalen Partnern aus Wissenschaft und Industrie bereiten den Weg für die technische Umsetzung der Quantentechnologien 2.0.
Verbundprojekt »QUEST – Quantum Frequency Conversion of Photons Emitted by Spin Qubits to the Telecom Band«
Im Exzellenzcluster »Matter and Light for Quantum Computing« (ML4Q), der im Rahmen der Exzellenzstrategie der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG gefördert wird, arbeiten unter anderem die Universität zu Köln, die Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, das Forschungszentrum Jülich, die Lehrstühle für Lasertechnik LLT und für Technologie Optischer Systeme TOS der RWTH Aachen University sowie das Fraunhofer ILT zusammen an neuen Technologien für Quantenkommunikation und Quantencomputer. Das Cluster ML4Q bündelt die Expertise aus Festkörperforschung, Quantenoptik und Quanteninformation in NRW.
Langfristiges Ziel des Clusters sind Architekturen, in denen fehlertolerante Quantencomputer modular realisiert und optisch miteinander vernetzt sind. Unterschiedliche Qubit-Systeme, etwa Halbleiter-Spin-Qubits und Ionenfallen, lassen sich dabei photonisch koppeln. Intrinsisch emittieren die genutzten Qubits Photonen mit unterschiedlichen Wellenlängen. Für das Verknüpfen werden daher verschiedene Quanten-Frequenzkonverter benötigt, die jeweils spezielle Wellenlängen ineinander überführen.
Im September 2019 startete im Rahmen von ML4Q das Projekt »QUEST – Quantum Frequency Conversion of Photons Emitted by Spin Qubits to the Telecom Band«, in dem Wissenschaftler des Lehrstuhls TOS der RWTH Aachen University und des Fraunhofer ILT an der photonischen Kopplung von Halbleiter-Spin-Qubits arbeiten. Im Fokus von QUEST steht für die Aachener Forscher die Entwicklung von Quanten-Frequenzkonvertern, die die von Qubit-Systemen emittierten Photonen mit Wellenlängen im Bereich zwischen 800 nm und 900 nm zu solchen mit Wellenlängen im Bereich 1500 nm bis 1600 nm effizient umwandeln. Mit diesen Wellenlängen lassen sie sich später verlustarm in Glasfasern führen und in einem entsprechenden Netzwerk übertragen.
Ähnlich aufgebaute Laser-Frequenzkonverter wurden bereits entwickelt und haben sich etabliert, etwa bei Technologien für die Klimaforschung. Jedoch sind Anpassungen nötig, da die Konverter nun bei niedrigen Photonenraten eine hohe Effizienz bieten sollen, was bei bisherigen Systemen aufgrund hoher verfügbarer Intensitäten eine untergeordnete Rolle spielte.
Bei einstufiger Konversion ist für das untersuchte QFC-Design ein Pumplaser mit Wellenlänge bei etwa 2 µm erforderlich. Vorteilhaft ist dabei, dass nur wenig störende parametrische Prozesse auftreten und somit nicht viele Rauschsignale in das Ausgangssignal des Konverters gelangen.
Zunächst stehen robuste Laborsysteme für die Konverter im Vordergrund. Mit Simulationstools entwickeln die Wissenschaftler dazu ein fortgeschrittenes QFC-Modell und ermitteln optimale Parameter für das Design einzelner Komponenten. Anschließend geht es um den Aufbau eines mobilen Prototyps mit einer Gesamt-Quantenkonversionseffizienz von über 30% und gutem Signal-Rausch-Verhältnis. Der entwickelte Konverter wird dann im Institut für Quanteninformation der RWTH Aachen University in ersten Anwendungen getestet und evaluiert.
Später folgt die Faserkopplung für die Anbindung der Konverter an Qubits. Eine Herausforderung ist das gezielte Auffangen des von einem Qubit emittierten Lichts. Jedes Koppeln von Licht in Fasern hinein oder aus Fasern heraus bringt zudem nennenswerte Verluste mit sich. Bei der Entwicklung entsprechender Schnittstellen zwischen Qubit und Glasfaser wird daher auch erprobt, wie sich das von Qubits emittierte Licht am besten bündeln lässt. Denkbar für zukünftige Umsetzungen sind z. B. im Chip integrierte Wellenleiter-Strukturen, die das Licht direkt auffangen.
Fraunhofer ICON-Projekt »QFC-4-1QID – Low-Noise Frequency Converters for the First Quantum Internet Demonstrator«
Zu den weltweit führenden Forschungszentren in den Bereichen Quantencomputing und Quanteninternet zählt das QuTech im niederländischen Delft. 2014 gründeten die Technische Universität Delft und die Niederländische Organisation für Angewandte Naturwissenschaftliche Forschung TNO die Kollaboration, die sowohl wissenschaftlich ausgerichtet ist als auch den Engineering-Bereich bedient.
Im September 2019 startete das von der Fraunhofer-Gesellschaft geförderte ICON-Projekt »Low-Noise Frequency Converters for the First Quantum Internet Demonstrator – QFC-4-1QID« mit Laufzeit von zunächst drei Jahren, in dem Wissenschaftler des Fraunhofer ILT und von QuTech gemeinsam Quanten-Frequenzkonverter (QFC) entwickeln. Dabei handelt es sich um Schlüsselkomponenten für die Demonstration des ersten Quanteninternets, die die Wissenschaftler am QuTech bereits für das Jahr 2022 anvisieren. Qubits in Delft, Leiden, Den Haag und Amsterdam sollen dann mittels Glasfasern zu einem gemeinsamen Quantensystem verbunden werden.
Für Quanteninternet-Technologien ist es entscheidend, von einzelnen Qubit-Systemen erzeugte Photonen gezielt auszukoppeln und für ein Netzwerk nutzbar zu machen. An einigen Stellen im Netzwerk muss eine Wandlung von Photonen-Wellenlängen stattfinden, sodass mehrere verschiedenartige Qubits miteinander verbunden werden können. Die ICON-Partner entwickeln und optimieren dazu rauscharme und effiziente Quantenfrequenz-Konverter, die die Quantenzustände der Einzelphotonen erhalten.
Es stehen zwei Ansätze im Mittelpunkt, die in Aachen und Delft parallel realisiert und direkt miteinander verglichen werden. Grundlegende Basistechnologien, Methoden sowie Geräte zur Charakterisierung und zum Aufbau der Bauteile müssen dabei nur einmal entwickelt werden. Die technische Umsetzung wird zunächst mit Laboraufbauten realisiert. Später folgt die Entwicklung von nutzbaren Prototypen und integrierten Bauteilen, etwa in geförderten Folgeprojekten und F&E-Kooperationen mit der Industrie.
Als Qubits kommen Stickstoff-Fehlstellen (NV-Zentren) in Diamant zum Einsatz, die Photonen mit der Wellenlänge 637 nm emittieren. Aus pragmatischen Gründen soll die Quantenkommunikation über herkömmliche bereits verlegte Glasfasern realisiert werden. Für die Langstrecken-Verbindungen sind dann Wellenlängen erforderlich, die in den Telekommunikations-Bändern im Bereich zwischen 1500 nm und 1600 nm liegen, sodass Übertragungsverluste möglichst gering sind. Eine große Herausforderung ist das Design von Konvertern mit einer hohen Gesamt-Konversionseffizienz. Diese sollen nur wenige Rauschsignale erzeugen bzw. ins Ausgangssignal durchlassen.
Am Fraunhofer ILT steht die Entwicklung rauscharmer Konverter im Vordergrund, bei denen Überhöhungskavitäten und nichtperiodisch gepolte Kristalle eingesetzt werden. Dieser Ansatz hat potentiell den Vorteil, dass nicht viele parasitäre parametrische Prozesse auftreten und nur wenige Rausch-Photonen entstehen. Hier gilt es herauszufinden, ob eine genügend hohe Effizienz für die Umwandlung der Einzelphotonen-Wellenlängen erreichbar ist.
Nach Aufbau und Evaluation der verschiedenen Ansätze für die Quanten-Frequenzkonversion soll die Technologie in einer späteren Projektphase an Halbleiter-Spin-Qubit-Systeme adaptiert werden, die im Institut für Quanteninformation der RWTH Aachen University erforscht werden.
Fraunhofer-Leitprojekt »QUILT – Quantum Methods for Advanced Imaging Solutions«
Ein für messtechnische Zwecke relevantes Anwendungsgebiet der Quantentechnologien 2.0 ist die Bildgebung mit bisher ungenutzten Wellenlängen. Die sechs Fraunhofer-Institute IOF, IPM, ILT, IMS, IOSB und ITWM starteten dazu im Oktober 2017 das Fraunhofer-Leitprojekt »QUILT – Quantum Methods for Advanced Imaging Solutions«.
Die Projektpartner untersuchen jeweils bestimmte, noch weitgehend unerschlossene Wellenlängenbereiche für die Bildgebung mit Quantenimaging und arbeiten eng mit weltweit renommierten Gruppen aus der Grundlagenforschung zusammen, beispielsweise mit dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der österreichischen Akademie der Wissenschaften in Wien und dem Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen.
Das Fraunhofer ILT entwickelt in QUILT unter anderem parametrische Photonenquellen für Imaging-Anwendungen im mittleren Infrarot (MIR). Zudem stehen die Auslegung und Herstellung hochintegrierter photonischer Komponenten und Systeme sowie die Prozessierung von Wellenleitern, Kopplern und Filtern in Gläsern und Kristallen im Fokus.
Beim Quantenimaging werden nicht-klassische Photonenzustände genutzt, um die Grenzen der klassischen Optik zu überwinden. Dabei sind Wellenlängen im mittleren Infrarot interessant, da viele Stoffe in diesem »Fingerprint-Bereich« charakteristische Absorptionslinien aufweisen. Geeignete Detektoren sind jedoch technisch aufwändig, teuer und durch eine geringe Empfindlichkeit limitiert. Mit dem Phänomen der Verschränkung aber lassen sich hochempfindliche Silizium-Detektoren für das Quantenimaging im MIR-Bereich nutzen. Verschränkte Photonenpaare ermöglichen das Trennen von Interaktions- und Detektionswellenlänge bei bildgebenden Verfahren. Ein Photon des verschränkten Paares wechselwirkt mit einer zu messenden Probe, während das andere detektiert wird und über die Verschränkung Informationen über die Interaktion seines Partners preisgibt.
In nichtlinearen Kristallen können verschränkte Photonen-Paare durch parametrische Fluoreszenz erzeugt werden, von denen ein Partner die gewünschte Wellenlänge im MIR-Bereich für die Wechselwirkung mit dem Objekt und der andere eine gut detektierbare Wellenlänge hat. Die Wellenlängen lassen sich dabei weitgehend frei wählen.
Entscheidend für Anwendungen sind beim Design der Quellen nicht unbedingt makroskopisch große Leistungen, sondern eine hohe Paar-Rate und eine gute Korrelation der Photonen. Die Wissenschaftler entwickelten zunächst Quellen auf Basis parametrischer Fluoreszenz zur Erzeugung verschränkter Photonen und charakterisierten die Quellen für das Quantenimaging. Genutzt wurden periodisch gepolte Kristalle, gepumpt mit Halbleiterscheibenlasern bei 532 nm, die verschränkte Photonenpaare bei etwa 810 nm und 1550 nm erzeugten – mit Raten von mehr als einer Million Paare pro Sekunde. Bereits gut verstandene Materialien werden für die Quellen dabei zukünftig als besonders dünne Kristalle designt, sodass nur wenige Photonen durch Absorption im Material verloren gehen. Quellen mit noch größerem Wellenlängenabstand sind ein weiteres Ziel: Anvisiert sind Photonen mit Wellenlängen über 4,5 µm (MIR-Bereich) für die Objekt-Wechselwirkung und gut detektierbare Signalphotonen mit Wellenlängen von etwa 700 nm.
Mit zwei der zuvor charakterisierten Photonenquellen wurde ein Interferometer aufgebaut, das sich als bildgebendes System nutzen lässt. Das Design der Bauteile und Komponenten wird nun optimiert, sodass demnächst die anvisierten Wellenlängen im mittleren Infrarot für die Bildgebung genutzt werden können.
Denkbare Anwendungsgebiete für das Quantenimaging sind beispielsweise die Biologie, Medizin- oder Messtechnik, in denen neue Bereiche des elektromagnetischen Spektrums erschlossen und Grenzen der Bildgebung erweitert werden können.
Auf dieser Seite finden Sie kurze Erläuterungen zu einigen Begriffen, die im Kontext neuer Quantentechnologien oft verwendet werden.
Quantencomputer bieten die Chance, hochkomplexe Berechnungen und Algorithmen in kürzester Zeit auszuführen und die aktuelle Informationstechnologie zu revolutionieren. In einem Quanteninternet lassen sich zukünftig mehrere Quantencomputer abhörsicher verbinden und neue Technologien wie das verteilte Quantencomputing nutzen.
Als Recheneinheit werden Qubits genutzt, die analog zu Bits bei herkömmlichen Computern als kleinstmögliche Informationseinheit angesehen werden können. In vielen Fällen handelt es sich um Zweizustandssysteme, die sich mit Lasern spezieller Wellenlänge oder elektrisch mit Mikrowellen manipulieren bzw. auslesen lassen. Festkörperbasierte Qubits, beispielsweise Einzelelektronen in speziellen Kristallstrukturen, können Photonen emittieren, die Informationen über den Zustand des Ursprungs-Systems enthalten. Diese Qubits lassen sich mit Glasfasern über längere Strecken übertragen und in ein anderes Qubit-System einkoppeln.
Quanteninformationen werden im Quanteninternet nicht wie in einem klassischen Netzwerk übertragen, sondern über Verschränkung von einem Knotenpunkt zum nächsten weitergegeben. Im Netzwerk wird mit mehreren miteinander verschränkten Qubits auf diese Weise ein gemeinsamer Quantenzustand erzeugt, der von allen beteiligten Knotenpunkten aus genutzt werden kann, zum Beispiel für Berechnungen. Miteinander verschränkte Qubits lassen sich zudem auch klassisch übertragen. Unterschiedliche Laborsysteme für Qubits existieren bereits. Zukünftig sollen die unterschiedlichen Systeme photonisch gekoppelt werden. Hierzu werden Quanten-Frequenzkonverter (QFC) benötigt, die einzelne Photonen mit hoher Effizienz und mit geringem Rauschen von einer Wellenlänge zu einer anderen konvertieren und dabei deren Quantenzustände erhalten. Nur dann lässt sich die Verschränkung für ein späteres Netzwerk nutzen.
In vielen Anwendungen der Quantentechnologie wird das Phänomen der Verschränkung genutzt. Verschränkte Photonen lassen sich z. B. mit einem nichtlinear optischen Medium – ein Kristall mit speziellen physikalischen Eigenschaften – per Laser-Anregung erzeugen. Einzelne Photonen des auf den Kristall eingestrahlten Lasers werden dabei in einem parametrischen Prozess jeweils in Paare verschränkter Photonen umgewandelt, die verschiedene Wellenlängen haben können. Verschränkt bedeutet, dass die beiden erzeugten Photonen als ein einziges Quantensystem anzusehen und ihre Eigenschaften in höchstem Grade korreliert sind. Die spätere Messung einer Eigenschaft an einem der beiden Partner lässt dann unmittelbar auf Eigenschaften des zweiten Partners schließen.
Der verschränkte Zustand lässt sich von den Photonen auf Qubits übertragen, die sich zum Beispiel weit voneinander entfernt befinden können – wie beim geplanten Demonstrator für das Quanteninternet im Projekt QFC-4-1QID. Die Partner bzw. Knotenpunkte des aufgebauten Netzwerks teilen sich nach Verschränkung der beteiligten Qubit-Systeme im Idealfall einen gemeinsamen Quantenzustand.
Beim Quanten-Frequenzkonverter handelt es sich um ein optisches System mit unterschiedlichen Komponenten, das einen photonischen Quantenzustand in ein Ausgangssignal mit veränderter Wellenlänge wandelt. Gewünscht ist dabei eine hohe Quanten-Konversionseffizienz – die Photonen werden dann mit hoher Effizienz und geringem Rauschen von einer Wellenlänge gezielt zu einer anderen konvertiert, wobei der Quantenzustand erhalten bleibt.
Im Kern des Konverters befindet sich ein nicht-linearer Kristall, der aus einem einzelnen Photon ein Photon-Paar macht, von dem ein Partner die gewünschte Ausgangswellenlänge hat. Für eine effiziente Funktion wird parallel zu den Einzelphotonen, die konvertiert werden sollen, ein Laser auf den Kristall eingestrahlt, der den genutzten nicht-linearen Prozess antreibt. Die Einzel-Photonen mit der Zielwellenlänge müssen, möglichst noch innerhalb des Bauteils, aus einem „Meer“ von Rauschphotonen herausgefiltert werden. Daher enthält der Konverter auch eine speziell angepasste Filterstrecke für Photonen.
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
