12 Okt Laser, 3-D-Imaging, PICs: Entwicklungen für die Quantentechnologien
Das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) gibt anlässlich der European Quantum Technology Conference (EQTC), die vom 16. – 20. Oktober 2023 in Hannover stattfindet, einen Einblick in die aktuellen Entwicklungen des Instituts im Bereich der Quantentechnologien. Das FBH verfügt eigenen Angaben zufolge über die komplette Wertschöpfungskette im Haus: vom Chipdesign über die Prozessierung bis hin zur Fertigung mikrointegrierter, besonders kompakter und robuster Module und Systeme. Auf der EQTC zeigt es sein umfangreiches Leistungsspektrum. 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, so das FBH, schlage man erfolgreich die Brücke zwischen grundlagen- und anwendungsorientierter Forschung.
Laser für die Quantensensorik
Unter anderem entwickelt und liefert das Berliner Forschungsinstitut komplexe und robuste Lasermodule für Quantensensoren, die auf Höhenforschungsraketen, auf 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 laut FBH Quantensensoranwendungen 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 soll eine Kurzzeitstabilität von 1,7 x 10-12 bei 1 Sekunde erreichen. Das FBH entwickelt auch entsprechende Systeme, die den Zwei-Photonen-Übergang bei 778 nm nutzen und vielversprechende Kandidaten für globale Navigations-Satellitensysteme sein sollen. Zudem werden sie nach Angaben des Instituts in der optischen Kalibrierung und als Absolutfrequenzreferenz in der atombasierten Quantentechnologie eingesetzt.
Modul für eine optische Frequenzreferenz: Spektroskopie-Modul mit Gaszelle für eine autonome Frequenzreferenz (OFR), die auf dem D2-Übergang in Rubidium bei 780 nm basiert. Bild: FBH / P. Immerz
3-D-Quanten-Bildgebung
Für die hyperspektrale Bildgebung im mittleren Infrarotbereich (MIR) und die Quanten-OCT (optische Kohärenztomographie) entwickelt das FBH hybrid-integrierte, miniaturisierte Quantenlichtmodule. Die Forschenden haben dafür spezielle Laserdioden und mikrooptische 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 laut den Forschenden weder Detektoren noch zusätzliche Strahlungsquellen im MIR benötigt.
Kompakter Sensorkopf für die 3-D-Quanten-Bildgebung: Das Sensorsystem kann präzise 3-D-Tiefeninformationen im mittleren Infrarot liefern und für die Quanten-OCT keramischer und polymerer Werkstoffe eingesetzt werden. Bild: FBH / A. Pubantz
Photonisch-integrierte Schaltungen
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 eigenen Angaben zufolge eine photonische Plattform aus AlGaN-Heterostrukturen für elektrooptisch 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 Spin-Defekten erzeugen lassen. Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen designen und fertigen nanophotonische Spin-Photonen-Grenzflächen in Diamant. So haben sie erst kürzlich einen sägefischartigen Resonator hergestellt, der verschränkte Photonen mit hoher Effizienz erzeugen soll. Dies wurde in Simulationen gezeigt und soll nun experimentell bestätigt werden.
Quelle: www.fbh-berlin.de
Bild: FBH / B. Schurian
