02.05.2018

Quantum Imaging mit verschränkten Photonen

Robuste Photonenquellen für neue bildgebende Verfahren in Medizin- oder Messtechnik.

Einzelne Photonen und Quanten­zustände gezielt präparieren, kontrol­lieren und für moderne Anwen­dungen nutzen – mit diesem Ziel starteten sechs Fraun­hofer-Institute im Oktober 2017 das neue Leitprojekt QUILT – Quantum Methods for Advanced Imaging Solutions. Die Wissen­schaftler des Fraunhofer-Instituts für Laser­technik ILT entwickeln in diesem gemein­samen Vorhaben robuste, vermarktungs­fähige Photonen-Quellen für bild­gebende Verfahren auf quanten­technologischer Basis. Denkbare Anwendungs­gebiete sind die Medizin- oder Mess­technik, in denen damit neue Bereiche des elektro­magnetischen Spektrums erschlossen und Grenzen der Bild­gebung erweitert werden können.

Abb.: Solche parametrischen Quellen für verschränkte Photonen können für neue, bildgebende Verfahren genutzt werden. (Bild: V. Lannert, Fh.-ILT)

Silizium­basierte Transis­toren, Laser oder GPS-Systeme sind aus unserem heutigen Leben kaum wegzu­denken. Diese sind nur ein paar der vielen Anwen­dungen, die aus einer ersten Generation von Quanten­technologien hervorgingen, bei denen vor allem kollektive Teilchen­phänomene der Quantenphysik genutzt wurden. Eine „zweite Quanten­revolution“ eröffnet nun neue Möglich­keiten: Quanten­physikalische Systeme aus einzelnen Teilchen lassen sich mittler­weile gezielt mani­pulieren und zukünftig für Anwen­dungen nutzen.

Sechs Fraun­hofer-Institute bündeln im QUILT-Leit­projekt ihre wissen­schaftliche Expertise und techno­logische Kompetenz auf dem Gebiet des Quantum Imaging, um Erkennt­nisse aus der Grundlagen­forschung in marktnahe Anwen­dungen zu über­führen. Andreas Tünner­mann, Leiter des Fraun­hofer-Instituts für Ange­wandte Optik und Feinmechanik IOF, und Karsten Buse, Leiter des Fraun­hofer-Instituts für Physi­kalische Messtechnik IPM, koor­dinieren das von der Fraun­hofer-Gesellschaft geförderte Gemeinschafts­projekt. „Ein Ziel des Leitprojekts ist es, quanten­technologische Konzepte, die aktuell noch in frühen Entwicklungs­phasen stecken, bzgl. ihres Markt- und Anwendungs­potentials zu bewerten und lohnende Ansätze im Hinblick auf ihre techno­logische Reife weiterzu­entwickeln“, erläutert Bernd Jungbluth, Gruppen­leiter am Fraunhofer ILT. Die Projekt­partner untersuchen jeweils bestimmte, noch weitgehend uner­schlossene Wellenlängen­bereiche und arbeiten eng mit weltweit renom­mierten Gruppen aus der Grundlagen­forschung zusammen.

Die Wissen­schaftler visieren für das zukünftige Quantum Imaging Wellen­längen im mittleren Infrarot­bereich (MIR) an. In diesem Bereich weisen viele Stoffe charak­teristische Absorptions­linien auf. Aller­dings sind geeignete Detektoren technisch aufwändig, teuer und durch eine geringe Empfind­lichkeit limitiert. Mit dem Phänomen der Verschränkung lassen sich ent­sprechende Photonen trotzdem für Messungen nutzen. Dazu wird ein nicht­linear optisches Medium mit einem Laser angeregt. Einzelne Photonen des Lasers werden dabei in einem para­metrischen Prozess jeweils in Paare ver­schränkter Photonen umge­wandelt, die verschiedene Wellen­längen haben können.

Am Fraunhofer ILT wird aktuell eine SPDC (spon­taneous para­metric down­conversion)-Quelle zur Erzeugung ver­schränkter Photonen entwickelt, für das spätere Quantum Imaging aufgebaut und charak­terisiert. Die Quelle soll eine Signal­welle erzeugen, die mit Silizium­technologie gut zu detektieren ist, und eine zweite Wellen­länge im MIR für die Wechsel­wirkung mit dem zu messenden Objekt. Die Eigen­schaften einer solchen Quelle ergeben sich aus dem Design im Zusammen­spiel mit geeigneten Material-, Geometrie- und Strahl­parametern. Entscheidend für Anwen­dungen sind dabei nicht zwingend eine große Leistung oder ein großer Photonen­fluss bei einer bestimmten Wellen­länge, sondern eine hohe Paar-Rate und eine gute Korre­lation der Photonen.

Know-how zu para­metrischen Prozessen und Materialien steckt bereits in anderen Strahl­quellen, die am Fraun­hofer ILT entwickelt wurden, etwa in Optisch Parame­trischen Oszillatoren (OPO). Die bereits gut verstandenen Materialen sollen nun für neue Quanten­technologien als besonders dünne Kristalle designt werden, sodass nur wenige Photonen durch Absorption im Material verloren gehen. Florian Elsen, Projekt­leiter für QUILT am Fraunhofer ILT, erklärt: „Damit könnten später bessere Signal-zu-Rausch-Verhält­nisse im Vergleich zu klassischen Mess­situationen ermöglicht werden oder Anwen­dungen, bei denen hohe Inten­sitäten schädlich sind.“

Neben dem Verständnis para­metrischer Prozesse und einem maßge­schneiderten Optik­design ist vor allem die technische Umsetzung für die Markt- und Anwendungs­tauglichkeit quanten­optischer Systeme entscheidend. Auch hier verfügt das Fraunhofer ILT über viel Erfahrung und robuste Technologie­plattformen, beispiels­weise aus der Entwicklung satelliten­basierter Laser und OPOs für die Klima­forschung. Im Bereich der Quanten­technologien stehen vor allem die Kompaktheit und ein hoher Integra­tionsgrad der Systeme im Fokus. In QUILT entwickeln die Wissen­schaftler deshalb das Schreiben optischer Wellen­leiter mit ultra­kurzen Laser­pulsen weiter. Auf dieser Basis werden inte­grierte Inter­ferometer für Imaging und Spektro­skopie im Finger­print-Bereich umgesetzt. „Mit para­metrischen Photonen­quellen, inte­grierter Optik und Packaging­verfahren entwickeln wir ein breites Portfolio von Lösungen. Über das Imaging hinaus beinhalten diese auch Querschnitts­technologien für Anwen­dungen beispiels­weise in der Quanten­kommunikation oder im Quanten­computing“, sagt Arnold Gillner, Kompetenzfeld­leiter am Fraunhofer ILT und Teilprojekt­leiter in QUILT.

Fh.-ILT / JOL

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