Projekt »QUILT« – Quantum Methods for Advanced Imaging Solutions

Das Themenfeld »Quantum Imaging« fokussiert auf die Verwendung nichtklassischer Lichtzustände für neue Verfahren in Bildgebung und Spektroskopie. Im Fraunhofer-Leitprojekt »QUILT« geht es vor allem darum, mit Hilfe verschränkter Photonenpaare mit starker Wellenlängenspreizung spektrale und Bild-Informationen aus den Wellenlängenbereichen Terahertz, mittleres Infrarot und Ultraviolett mit siliziumbasierten Detektoren und Kameras messbar zu machen.

Infrarotspektroskopie mit sichtbaren Photonen

Eine der wichtigsten Methoden zur chemischen Analyse von Molekülen und organischen Verbindungen ist die Infrarotspektroskopie. Hierzu werden klassischerweise eine Infrarot-Lichtquelle und ein Infrarotdetektor benötigt. Im Vergleich zu Detektoren für den sichtbaren oder nahinfraroten Spektralbereich weisen Infrarotdetektoren jedoch ein höheres Dunkelrauschen auf, sind technologisch aufwändiger und teuer.

In einem nichtlinearen Interferometer kann die spektrale Information aus dem mittleren Infrarot mit sichtbarem Licht detektiert werden. Hierzu werden verschränkte Photonenpaare erzeugt, wobei eines der Lichtquanten im sichtbaren Spektralbereich und eines der Lichtquanten im mittleren Infrarotbereich liegt. In einem Interferometer-Aufbau werden die Lichtstrahlen so überlagert, dass die Wechselwirkung der Infrarot-Photonen mit einer zu untersuchenden Probe im Interferenzmuster der sichtbaren Photonen gemessen werden kann. Dies ist nur möglich aufgrund der quantenmechanischen Effekte der verschränkten Photonen.

Von der Grundlagenforschung zur Anwendungsdemonstration

Im Rahmen des Projektes »QUILT« werden am Fraunhofer IPM Quanten-Spektrometer im mittleren Infrarot (3-5 µm) und im sogenannten Fingerprint-Bereich (8-12 µm) entwickelt. In aktuellen Arbeiten konnten wir erstmalig Infrarotspektroskopie mit sichtbarem Licht in Analogie zum Messprinzip eines Fourier-Transform-Infrarotspektrometers demonstrieren.

Am Fraunhofer IPM profitieren wir von unserer Expertise im Bereich nichtlinear-optischer Materialien, die als Quelle für die verschränkten Photonen dienen. Bei der Systementwicklung trägt unsere langjährige Erfahrung mit spektroskopischer Analytik dazu bei, die Anforderungen an die Messtechnik in realistischen Anwendungsszenarien zu berücksichtigen.

Projektfinanzierung

Das Projekt »QUILT« wird mit Mitteln des »Leitprojekte«-Programms der Fraunhofer-Gesellschaft gefördert.

Projektpartner

• Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF
• Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
• Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS
• Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB
• Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM
• Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM

Externe Partner

Das QUILT-Konsortium kooperiert mit zwei der weltweit führenden Institute aus dem akademischen Feld der Quantentechnologie:

• Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der österreichischen Akademie der Wissenschaften
• Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPG MPL), Erlangen

Projektlaufzeit

01.10.2017 bis 30.06.2021

Hintergrund

Die Quantenforschung hat in den vergangenen Jahren eine Reihe wissenschaftlicher Durchbrüche erzielt. In Wissenschaft, Politik und Wirtschaft spricht man von einer »zweiten Quantenrevolution«, bei der der Quantentechnologie eine Rolle als Schlüsseltechnologie der modernen Informationsgesellschaft zukommt. Im Unterschied zur ersten Generation von Quantentechnologien, die auf der Nutzung einer Gesamtheit unzählig vieler Teilchen basierte, können heute einzelne Quanten in ihrer Verschränkung und in Überlagerungszuständen präpariert, manipuliert, übermittelt und gemessen werden. Individuelle Quantensysteme bilden die Grundlage für disruptive Veränderungen in einer Vielzahl von Einsatzgebieten: von der industriellen Produktion über Medizin und Biotechnologie, Automobilbau, Information & Kommunikation, Luft- & Raumfahrt bis hin zur Wissenschaft. Aber auch in aufstrebenden Märkten wie der Umweltanalytik oder der zivilen Sicherheit und Informationssicherheit werden quantenoptische Systeme eine Rolle spielen.

Was ist Quantensensorik?

Unter Quantensensorik versteht man die Vermessung physikalischer oder chemischer Eigenschaften eines Materials oder einer Umgebung unter Nutzung der besonderen Eigenschaften isolierter Quanten. Verschränkte Photonen oder isolierte Atome können als Sensoren genutzt werden, die klassischen Sensoren im Hinblick auf Empfindlichkeit und Auflösungsvermögen deutlich überlegen sind.