FBH stellt Entwicklungen für Quantentechnologien auf EQTC 2023 vor

Quantentechnologien versprechen nichts weniger als eine technologische Revolution in Bereichen wie der Sensorik, der Kommunikation und dem Computing. Dem enormen Innovationspotenzial trägt auch die European Quantum Technology Conference (EQTC) Rechnung, die vom 16. - 20. Oktober 2023 in Hannover stattfindet. Das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) stellt auf der internationalen Konferenz aktuelle Entwicklungen und Ergebnisse in vielfältigen wissenschaftlichen Beiträgen vor. Auf der begleitenden Ausstellung präsentiert sich das FBH ab dem 17. Oktober am Berlin-Brandenburger Gemeinschaftsstand (F08 – F10).

Das Ferdinand-Braun-Institut verfügt über die komplette Wertschöpfungskette im eigenen Haus, vom Chipdesign über die Prozessierung bis hin zu mikrointegrierten, besonders kompakten und robusten Modulen und Systemen. Auf der EQTC zeigt es sein umfangreiches Leistungsspektrum: von integrierten photonischen Bauelementen für Quantenkommunikation und -informationsverarbeitung, mit denen sich Licht präzise kontrollieren lässt, bis hin zu atombasierten Quantentechnologien und integrierten Quantensensoren. Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Bereich der Quantentechnologien werden insbesondere von den vier Joint Labs durchgeführt, in denen das FBH mit der Humboldt-Universität zu Berlin kooperiert. Mit diesen gemeinsamen Forschungsgruppen schlägt das FBH erfolgreich die Brücke zwischen grundlagen- und anwendungsorientierter Forschung.

Lasermodule und -systeme für die Quantensensorik

Unter anderem entwickelt und liefert das Berliner Forschungsinstitut komplexe und robuste Lasermodule für Quantensensoren, die auf Höhenforschungsraketen, der ISS und auf Satelliten eingesetzt werden. Die Module liefern 500 mW in einer Single-Mode Faser bei > 20 % Konversionseffizienz (elektrisch zu optisch) und bieten eine geringe intrinsische Linienbreite < 1 kHz. Sie ermöglichen Quantensensor-Anwendungen in der Grundlagenphysik, der Geo- und Umweltphysik sowie der Zeitmessung und Navigation. Kernstücke sind Diodenlaser im Wellenlängenbereich von 620 bis 1180 nm. Für alle Systeme, insbesondere für Raumfahrtprojekte, führt das FBH umfangreiche Zuverlässigkeits- und Umwelttests durch.

FBH-Lasermodule werden außerdem verwendet, um kompakte Quantensensoren und optische Frequenzreferenzen (OFR) für den Einsatz im Weltraum aufzubauen. So wurde eine ultra-kompakte (Volumen < ½ Liter) autonome Frequenzreferenz demonstriert, die auf dem D2-Übergang in Rubidium bei 780 nm basiert. Sie erreicht eine Kurzzeitstabilität von 1,7 x 10^-12 bei 1 Sekunde. Das FBH entwickelt auch entsprechende Systeme, die den Zwei-Photonen-Übergang bei 778 nm nutzen und vielversprechende Kandidaten für globale Navigations-Satellitensysteme sind. Zudem werden sie in der optischen Kalibrierung und als Absolutfrequenzreferenz in der atombasierten Quantentechnologie eingesetzt.

Quanten-Lasermodule – für die 3D-Quanten-Bildgebung

Für die hyperspektrale Bildgebung im mittleren Infrarotbereich (MIR) und die Quanten-OCT (optische Kohärenztomographie) entwickelt das FBH hybrid-integrierte, miniaturisierte Quantenlichtmodule. Sie sind die Herzstücke von Sensorsystemen, die auf „undetektierten Photonen“ basieren. Die Forschenden haben dafür spezielle Laserdioden und mikro-optische Elemente entwickelt, die zusammen mit einem nichtlinearen optischen Kristall in ein kompaktes Gehäuse integriert werden. Diese Quantenlichtmodule erzeugen verschränkte Photonenpaare, die in einem nichtlinearen Interferometer wechselwirken. Dadurch wird der technisch anspruchsvolle MIR-Spektralbereich zugänglich, wobei die Messungen ausschließlich im nahen Infrarotbereich durchgeführt werden. Durch die Verschränkung werden weder Detektoren noch zusätzliche Strahlungsquellen im MIR benötigt

Photonisch-integrierte Schaltungen – Basis für Quantenoperationen

Das photonische Quantencomputing nutzt Lichtteilchen, um photonische Ressourcenzustände zu erzeugen und zu messen. Einen vielversprechenden Ansatz liefern photonische Clusterzustände. Mit integrierten photonischen Schaltkreisen sollen die erforderlichen Quantenoperationen durchgeführt und die photonischen Clusterzustände erzeugt werden. Das FBH hat eine photonische Plattform aus AlGaN-Heterostrukturen für elektro-optisch kontrollierte Schaltungen entwickelt, die sich für schnelle und präzise On-Chip-Operationen und -Messungen eignen.

Um rechenintensive Ressourcenzustände zu realisieren, untersucht eines der Joint Labs, wie sich photonische Clusterzustände mit optisch aktiven Spindefekten erzeugen lassen. Die Wissenschaftler*innen designen und fertigen nanophotonische Spin-Photonen-Grenzflächen in Diamant. So haben sie erst kürzlich einen sägefischartigen Resonator hergestellt, der verspricht, verschränkte Photonen mit hoher Effizienz zu erzeugen. Dies wurde in Simulationen gezeigt und soll nun experimentell bestätigt werden.