Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS
Mit Quantenphänomenen zur Abbildung
Die Quantenphysik eröffnet mit interessanten und neuartigen Regeln eine neue Welt für einige Anwendungen zum Beispiel in den Bereichen Kommunikation, Sensorik und Computing. Durch intensive Forschung in den Feldern der Quantentechnologien konnten in den letzten Jahren beeindruckende Fortschritte erreicht werden. Dies gilt ebenso für die Domäne des Quantum Imaging.
Dieses Verfahren nutzt das quantenphysikalische Phänomen der Verschränkung von Photonen aus, um die Grenzen der klassischen bildgebenden Verfahren zu überschreiten und neue Anwendungen zu ermöglichen. Dabei wird ein Paar aus verschränkten Photonen erzeugt, jedoch nur ein Photon detektiert. Durch die Verschränkung lassen sich dennoch Rückschlüsse auf die Eigenschaften und Wechselwirkungen des nicht detektierten Photons schließen. So lässt sich ein Objekt abbilden ohne in Wechselwirkung mit den detektierten Photonen getreten zu sein (daher auch »Ghost Imaging«).
Neben der Kuriosität und Faszination ist dieses Phänomen auch für einige Anwendungen von großem Interesse. Ein großer Vorteil ist die Entkoppelung von äußeren Einflüssen durch Detektion der ungestörten Photonen anstelle der tatsächlich wechselwirkenden Photonen. Bei der Erzeugung der Photonenpaare können die verschränkten Photonen unterschiedliche Wellenlängen besitzen. Diese Option ermöglicht das Ausnutzen der Vorteile und Eigenschaften beider Wellenlängenbereiche und somit den Zugang zu Wechselwirkungen, der durch klassische Verfahren kaum zu erreichen ist.
Zum Beispiel können in spektroskopischen Quantum Imaging Anwendungen die Wechselwirkungen von Photonen im mittleren Infrarot-Bereich (MIR, ca. 3 – 15 µm) mit Molekülen durch die verschränkten Photonen im sichtbaren Bereich mithilfe von herkömmlichen Detektoren ermittelt werden. In die andere Richtung ist für mikroskopische Anwendungen auch der Zugang zu extrem geringen Wellenlängen (UV) interessant, um eine höhere Auflösung mit zerstörungsfreier Messung zu erreichen, während die verschränkten Photonen im sichtbaren Bereich konventionell detektiert werden können.
Da die Verschränkung zwischen einzelnen Photonen stattfindet, erfordern diese innovativen Ansätze des Quantum Imaging eine extrem empfindliche und effiziente Detektortechnologie. Für eine fehlerfreie Korrelation der detektierten verschränkten Photonenpaare ist ebenso eine hohe zeitliche Auflösung zwingend notwendig. Diese hohen Anforderungen machen die SPAD-Detektor-Technologie zu dem bevorzugten Kandidaten in einigen Anwendungen.
Die CMOS-integrierten SPADs (CSPAD) des Fraunhofer IMS erreichen aufgrund der kurzen Totzeit eine sehr hohe Zeitauflösung. Die geringe Dunkelzählrate und hohe Quanteneffizienz sorgen für eine enorme Empfindlichkeit bis zum einzelnen Photon. Am IMS gefertigte Detektoren mit SPAD-Arrays besitzen somit optimale Eigenschaften, um einzelne Photonen sowohl orts- als auch zeitaufgelöst detektieren zu können. Die in der eigenen CMOS-Technologie entwickelten und realisierten Ausleseschaltungen lassen sich individuell auf die Anwendung anpassen.
Im Rahmen des Fraunhofer Leitprojekts QUILT (Quantum Methods for Advanced Imaging Solutions) leistet das Fraunhofer IMS in Kooperation mit fünf anderen Fraunhofer-Instituten fortschrittliche, wissenschaftliche Beiträge in mehreren Forschungsdomänen des Quantum Imaging. Durch die gebündelte Expertise der Institute und proaktive Herangehensweise soll die Fraunhofer-Gesellschaft zum wichtigsten Player in der quantenoptischen Anwendungsforschung werden. Dabei sind die Entwicklung, Fertigung und Optimierung von Einzelphotonen-Detektoren mit SPAD-Technologie am Fraunhofer IMS elementare Bestandteile des Projekts.