Quantentechnologien

Die zweite Quantenrevolution kündigt einen Paradigmenwechsel in Bereichen der Sensorik, Metrologie und dem Computing an. Nachdem die ersten Anwendungen quantenmechanischer Effekte (Laser, Transistoren und andere) bereits fundamentale Veränderungen für weite Teile der Gesellschaft gebracht haben, wird die Erzeugung, Manipulation und Detektion von Quantenzuständen in komplexen Systemen vollkommen neuartige Anwendungen ermöglichen. Hierzu zählen hochpräzise Messgeräte (Atomuhren, Quantenmagnetfeldmessgeräte, etc.), Verschlüsselung unter Ausnutzung quantenmechanischer Verschränkung (v.a. QuantumKeyDistribution) und quantenmechanische Informationsverarbeitung (Quantencomputer).

Photonen stellen einen Sonderfall für diese Anwendungen dar. Sie können sowohl als Informationseinheit (Qubit für photonische Quantencomputer) als auch als Informationsvermittler in Netzwerken zwischen Knotenpunkten und in der Auslesung von anderen Quantencomputern (Neutralatom-QC, Ionenfallen-QC) dienen. Hierbei wird die geringe Interaktion mit der Umgebung und den dadurch entstehenden langen Kohärenzzeiten ausgenutzt. Sie bieten damit einen Mehrwert für eine Vielzahl von Quantenanwendungen.

Die Eigenschaften von Photonen können spezifisch verändert werden, sodass Licht in konkreten Wellenlängen, mit kontrollierter Polarisation und präziser Zeitauflösung vorliegt. Nach der Erzeugung einzelner Photonen können diese verschränkt, manipuliert und zur Auswertung gefiltert auf Detektoren gelenkt werden. Einzelphotonendetektoren bieten dabei die Möglichkeit diese einzelnen Quanta mit hoher zeitlicher und örtlicher Auflösung wahrzunehmen und dienen daher als fundamentales Element für Quantenanwendungen. Seriengefertigte Produkte werden dazu für erste Demonstratoren eingesetzt. Um die Kosteneffizienz und Skalierbarkeit zukünftiger Sensoren und Quantencomputer zu gewährleisten, sind integrierbare Einzelphotonendetektoren unerlässlich. Das Fraunhofer IMS bietet hierbei einzigartige Vorteile, indem es zukunftsweisende Quantenlösungen mit industrietauglichen Technologien für integrierte Detektion und Photonik realisiert.

Am Fraunhofer IMS bieten wir das Design und die Fertigungsmöglichkeiten für die Detektion einzelner Photonen in Arrangements von einzelnen Pixeln bis hin zu großen Detektionsarrays an. Es entstehen robuste Einzelphotonendetektoren (SPAD: Single Photon Avalanche Diode) mit herausragenden Eigenschaften, wie eine hohe Photonendetektionseffizienz (PDE), geringes Eigenrauschen (DCR / Dunkelzählrate), was keiner Kühlung bedarf, sowie ihre hohe Adaptierfähigkeit, um neue Applikationen zu ermöglichen. 

Durch die Einbettung in photonisch integrierte Schaltkreise (PICs) können diese mechanisch und thermisch stabil um weitere Funktionalitäten erweitert und individuell adressiert werden. Durch diese Eigenschaften bilden SPADs die idealen Detektoreinheiten, um bei einfacher Integration in Ihren Systemen die nächste bahnbrechende Entwicklung zu ermöglichen.