Verbundprojekt »QUILT«

Ein für messtechnische Zwecke relevantes Anwendungsgebiet der Quantentechnologien 2.0 ist die Bildgebung mit bisher ungenutzten Wellenlängen. Die sechs Fraunhofer-Institute IOF, IPM, ILT, IMS, IOSB und ITWM starteten dazu im Oktober 2017 das Fraunhofer-Leitprojekt »QUILT – Quantum Methods for Advanced Imaging Solutions«.

Die Projektpartner untersuchen jeweils bestimmte, noch weitgehend unerschlossene Wellenlängenbereiche für die Bildgebung mit Quantenimaging und arbeiten eng mit weltweit renommierten Gruppen aus der Grundlagenforschung zusammen, beispielsweise mit dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der österreichischen Akademie der Wissenschaften in Wien und dem Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen.

Kompakte Photonenquellen und optische Komponenten für das Quantenimaging

Das Fraunhofer ILT entwickelt in QUILT unter anderem parametrische Photonenquellen für Imaging-Anwendungen im mittleren Infrarot (MIR). Zudem stehen die Auslegung und Herstellung hochintegrierter photonischer Komponenten und Systeme sowie die Prozessierung von Wellenleitern, Kopplern und Filtern in Gläsern und Kristallen im Fokus.

Beim Quantenimaging werden nicht-klassische Photonenzustände genutzt, um die Grenzen der klassischen Optik zu überwinden. Dabei sind Wellenlängen im mittleren Infrarot interessant, da viele Stoffe in diesem »Fingerprint-Bereich« charakteristische Absorptionslinien aufweisen. Geeignete Detektoren sind jedoch technisch aufwändig, teuer und durch eine geringe Empfindlichkeit limitiert. Mit dem Phänomen der Verschränkung aber lassen sich hochempfindliche Silizium-Detektoren für das Quantenimaging im MIR-Bereich nutzen. Verschränkte Photonenpaare ermöglichen das Trennen von Interaktions- und Detektionswellenlänge bei bildgebenden Verfahren. Ein Photon des verschränkten Paares wechselwirkt mit einer zu messenden Probe, während das andere detektiert wird und über die Verschränkung Informationen über die Interaktion seines Partners preisgibt.

In nichtlinearen Kristallen können verschränkte Photonen-Paare durch parametrische Fluoreszenz erzeugt werden, von denen ein Partner die gewünschte Wellenlänge im MIR-Bereich für die Wechselwirkung mit dem Objekt und der andere eine gut detektierbare Wellenlänge hat. Die Wellenlängen lassen sich dabei weitgehend frei wählen.

Auf dem Weg zum Quantenimaging im MIR-Bereich

Entscheidend für Anwendungen sind beim Design der Quellen nicht unbedingt makroskopisch große Leistungen, sondern eine hohe Paar-Rate und eine gute Korrelation der Photonen. Die Wissenschaftler entwickelten zunächst Quellen auf Basis parametrischer Fluoreszenz zur Erzeugung verschränkter Photonen und charakterisierten die Quellen für das Quantenimaging.

Genutzt werden z. B. periodisch gepolte Kristalle, gepumpt mit Halbleiterscheibenlasern bei 532 nm, die bereits Messwellenlängen im Bereich von 1,5 µm bis 4,5 µm und etwa 100.000.000 verschränkte Photonenpaare pro Sekunde erzeugen. Diese Photonenquellen lassen sich in einem Interferometeraufbau als bildgebendes System nutzen. Im nächsten Schritt werden Methoden zur Bilderfassung mit optimierter Abbildungsqualität entwickelt.

Denkbare Anwendungsgebiete für das Quantenimaging sind beispielsweise die Biologie, Medizin- oder Messtechnik, in denen neue Bereiche des elektromagnetischen Spektrums erschlossen und Grenzen der Bildgebung erweitert werden können.