Seit über 50 Jahren fördert die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) langfristige Projekte in Form von Sonderforschungsbereichen (SFB). In diesen Programmen betreiben Wissenschaftler*innen fächer- und hochschulübergreifend Grundlagenforschung, die für die antragstellenden Hochschulen schwerpunkt- und strukturbildend ist. An der Universität Paderborn werden aktuell vier Sonderforschungsbereiche geleitet. Welche Ziele die Wissenschaftler*innen darin verfolgen, wird in dieser Themenreihe vorgestellt.
Physikalische Grundlagenforschung zu einer Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts
Neue Wege in der Informations- und Kommunikationstechnologie durch die gezielte Manipulation von Licht: Damit beschäftigen sich Wissenschaftler*innen des Sonderforschungsbereichs (SFB-TRR 142) „Maßgeschneiderte nichtlineare Photonik: Von grundlegenden Konzepten zu funktionellen Strukturen“. In dem Verbundprojekt der Universität Paderborn und der Technischen Universität Dortmund geht es insbesondere um künftige Anwendungen von Photonik und Quantentechnologien zugunsten der Sicherheit. Dank ihrer speziellen Eigenschaften gelten Photonen – kleine Lichtteilchen, aus denen elektromagnetische Strahlung besteht – als Hoffnungsträger für eine Revolution in der Datenübertragung.
Neue optische Technologien
Als Teilgebiet der Physik befasst sich die nichtlineare Photonik mit der Wechselwirkung von Licht und Materie. Prof. Dr. Artur Zrenner, Physiker an der Universität Paderborn, ist Sprecher des SFBs und erklärt: „Bei unserem Sonderforschungsbereich geht es um die Steuerung und Manipulation von Licht – von intensivsten Laserstrahlen bis hin zu einzelnen Photonen, den Lichtquanten. Mit dieser Steuerung wollen wir die Grundlagen für neue optische Technologien schaffen, die auf Licht basieren.“ Spezielle Methoden zur Erzeugung und Gestaltung von Photonen könnten zukünftig – verglichen mit aktuellen Binärcodes – neue Konzepte zur Codierung von Informationen liefern.
„Wir betreten Neuland“
Um das zu erreichen, nutzen die Wissenschaftler*innen nichtlineare optische Prozesse. Das sind Vorgänge, bei denen elementare Lichteigenschaften gezielt verändert werden und die für eine spätere Anwendung in der Informationstechnologie unverzichtbar sind. „Solche Effekte treten zum Beispiel auf, wenn durch Frequenzverdopplung aus rotem blaues Licht wird. Auch Lichtblitze, die eine ganz bestimmte Anzahl von Photonen haben, lassen sich so erzeugen“, sagt Zrenner. Erst damit wird es möglich, die Teilchen ihrem späteren Nutzen entsprechend zu modellieren.
Selbst für die erfahrenen Wissenschaftler*innen sind diese maßgeschneiderten Quantenzustände besonders: „Mit der Entwicklung photonischer Technologien, die auf Funktionalitäten basieren, die nur bei der Verwendung einzelner Lichtquanten oder maßgeschneiderter Quantenzustände zugänglich werden, betreten wir Neuland. Ziel ist es, die Forschungsaktivitäten von den Grundlagen der Licht- und Materialphysik bis hin zur Anwendung zu treiben“, so Zrenner.
Aus Licht wird Strom
Sogenannte optoelektronische Materialien können Licht in Strom umwandeln und umgekehrt. Zrenner erklärt: „In der Regel handelt es sich dabei um Halbleitermaterialien wie Silizium, Galliumarsenid oder Galliumnitrid. Heute werden damit Bauelemente wie Solarzellen, LEDs und Laser hergestellt.“ Für ihre Forschung verwenden die Wissenschaftler photonische Materialien, die elektrooptische und nichtlineare Eigenschaften besitzen und entsprechende Prozesse selbst auf Ebene einzelner Photonen in Gang setzen können. „Voraussetzung dafür sind u. a. das grundlegende Verständnis dieser Materialien auf atomarer Ebene und die Beherrschung modernster Materialtechnologien. Um die gewünschten Funktionalitäten zu erhalten, werden diese Materialien strukturiert, also für eine bestimmte Anwendung aufbereitet“, sagt Zrenner.
Bei dem SFB, der seit 2014 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wird, geht es auch um die Herstellung maßgeschneiderter Laser-Pulse. Damit können laut Zrenner die nichtlinearen Prozesse künftig besonders effizient genutzt werden. „Wir wollen neuartige Komponenten für Informationstechnologien herstellen, die bisher nicht realisiert werden konnten.“
Raritäten in Serienproduktion
Die Physiker*innen arbeiten bei ihren Experimenten u. a. mit einzelnen Photonen, was mit großen Herausforderungen verbunden ist: „Zum einen sind gängige Photonenquellen relativ unpräzise, die Erzeugung von Einzelphotonen gelingt nicht immer. Zum anderen ist nicht vorhersagbar, wann genau ein einzelnes Lichtteilchen erzeugt wird und welche Qualität es hat“, gibt Zrenner zu bedenken. Für die Quantenkryptographie, also die Übertragung sicherer Schlüssel mittels Lichtquanten, werden aber genau diese seltenen Exemplare benötigt. Deshalb setzen die Wissenschaftler Quantenpunkt-Dioden als Quellen für Einzelphotonen ein. Das sind künstliche Atome, die in einen Halbleiter eingebettet sind.
Die Wissenschaftler*innen um Zrenner wollen außerdem skalierbare Methoden zur Kontrolle von Quantenbits entwickeln: „Damit wird es dann möglich sein, Quellen für einzelne Photonen mittels ultraschneller Elektronik präzise zu steuern“. Interessant ist deren Erforschung aber auch deshalb, weil Quantenbits, auch Qubits genannt, die Voraussetzung für etwas sind, an dem derzeit die großen Player der Technik- und IT-Branche arbeiten: „Qubits bilden die Grundlage für sogenannte Quantencomputer. Das sind spezielle Rechner, die im Vergleich zu klassischen Computern nicht mit Bits, sondern auf Basis quantenmechanischer Zustände arbeiten und gewisse Aufgaben weitaus schneller als bisherige Superrechner lösen sollen“, fügt Zrenner hinzu.
Garantierte Sicherheit
„Mithilfe der Quantenkryptographie kann ein geheimer Schlüssel zwischen zwei Kommunikationspartnern geteilt werden – und zwar beweisbar sicher. Das geschieht durch die Verwendung einzelner Photonen und ist dem „No-Cloning-Theorem“ unterworfen. Es ist also nicht möglich, den Datenfluss zu kopieren. Auch Abhörversuche können sofort erkannt werden. Nur die Photonen, die in ihrer Ursprungsform beim Empfänger registriert werden, tragen zum gemeinsamen Schlüssel bei“, weiß Zrenner.
„Immenses Zukunftspotential“
Bei dem Vorhaben werden die Expertisen der Universität Paderborn in den Bereichen der photonischen Materialien und der Quantenoptik sowie der TU Dortmund im Bereich der nichtlinearen Spektroskopie kombiniert. Allein die Verlängerung des SFBs um weitere vier Jahre bis 2022 geht mit einer Fördersumme von rund 11,5 Millionen Euro einher.
„Wir wollen einen nachhaltigen Beitrag zu der Entwicklung einer der wichtigsten Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts leisten. Wir sind fest davon überzeugt, dass im Forschungsfeld der optischen Technologien mit seinen vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten ein immenses Zukunftspotenzial verborgen ist“, sagt Zrenner.
Projektwebseite: trr142.uni-paderborn.de
Nina Reckendorf, Stabsstelle Presse und Kommunikation
