Profilbereich Optolelektronik und Photonik
Im Profilbereich Optoelektronik und Photonik werden die physikalischen Grundlagen und Anwendungen optischer Technologien erforscht.
Dabei kommen innovative Konzepte aus der Quantenoptik, der kohärenten Optik, der ultraschnellen Nanooptik und Optoelektronik zum Einsatz. Das Ziel der koordinierten Forschung ist die Etablierung neuartiger Informationstechnologien, die auf der nichtlinearen Licht-Materie-Wechselwirkung und auf Quanteneffekten basieren.
Im Rahmen der experimentellen Forschungsarbeiten werden neue Materialien entwickelt und funktionelle Nanostrukturen sowie photonische Quantenbauelemente hergestellt und evaluiert. Die theoretischen Arbeiten erstrecken sich von der atomistischen Materialbeschreibung über die Quantenoptik bis hin zu Protokollen für die Quanteninformationsverarbeitung.
Der Bereich der Anwendungen wird dominiert von der Forschung an innovativer Lichttechnik für den Fahrzeugbereich. Gemeinsam mit dem L-Lab erfolgt eine industrienahe Entwicklung von Prototypen und Technologiedemonstratoren.
Die interdisziplinäre Kooperation im Profilbereich „Optoelektronik und Photonik“ wird durch den SFB-Transregio TRR 142 gefördert. Unter den beteiligten Wissenschaftler*innen befinden sich Leibniz-Preis- und ERC-Grant-Träger.
Kontakt: Prof. Dr. Thomas Zentgraf
Beteiligte Fachdisziplinen: Physik, Elektrotechnik, Chemie, Mathematik, Informatik
Ausgwählte Forschungsprojekte
Erst wenn ausreichend viele Quantenteilchen verschaltet werden, können Quantencomputer Aufgaben bewältigen, die für klassische Rechner unlösbar sind. Hier liegt – neben weiteren Alleinstellungsmerkmalen – ein wesentlicher Vorteil photonischer Plattformen: Integrierte Architekturen und ausgefeilte Fertigungsverfahren bieten ein enormes Skalierungspotenzial. Ziel des Verbundprojektes PhoQuant ist die Entwicklung eines rein photonischen Quantencomputers, basierend auf Gaussian Boson Sampling (GBS), mit mindestens 20 (nach 2,5 Jahren) bzw. 100 (nach 5 Jahren) individuell ansteuerbaren Kanälen. Neben der Entwicklung eines programmierbaren GBS QC Demonstrators mit anwendungsrelevanten Algorithmen steht die Implementierung eines Benutzer Interfaces als Schnittstelle für industrielle und akademische Anwender im Vordergrund.
Im Teilvorhaben Quantencomputing Testplattform (PhoQuant-QCTest) werden essenzielle Komponenten, u. a. eine optimierte integrierte Quetschlichtquelle und Funktionalitäten wie kohärente Verschiebungen und Homodyndetektion, und Algorithmen für den Demonstrator entwickelt. Ferner wird eine experimentelle Testplattform zur Verfügung gestellt, auf der die entwickelten Komponenten und Algorithmen unter realistischen Bedingungen getestet werden können, bevor sie in den Demonstrator überführt werden. Auch die von Projektpartnern entwickelten Bauteile auf Basis des neuen Materialsystems Dünnschichtlithiumnobiat (engl.: lithium niobate on insulator, LNOI) werden mit Hilfe der Testplattform evaluiert. Neue und bekannte GBS QC Algorithmen werden mittels informationstheoretischer Komplexitätsuntersuchungen verifiziert.
Sieben Arbeitsgruppen des Instituts für Photonische Quantensysteme (PhoQS) mit komplementären Expertisen führen das Teilprojekt PhoQuant-QCTest durch.
Das Verbundprojekt PhoQuant wird über die Laufzeit vom 01.01.2022 bis 31.12.2026 gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und vereint die Fachkenntnisse von 14 Partnern aus Akademie und Industrie.
Weitere Informationen finden Sie hier.
Kontakt: Prof. Dr. Christine Silberhorn
Quantentechnologien versprechen eine immense transformative Wirkung durch die Nutzung von grundlegenden quantenmechanischen Effekten für technologische Anwendungen. Photonen sind das einzige zuverlässige Qubit für die Übertragung von Quanteninformationen und damit eine wesentliche Ressource für Quantentechnologien. Die Quantenphotonik wird jedoch nur dann die Erwartungen an eine bahnbrechende Technologie erfüllen, wenn sie auf skalierbare Weise integriert werden kann. Das Projekt wird zeigen, dass die Dünnfilm-Lithiumniobat-auf-Isolator-Plattform alle Bausteine der Quantenphotonik gleichzeitig auf einer einzigen Plattform verbinden kann und somit zu einer vollständig integrierten quantenphotonischen Schaltung führt. Das Ergebnis wird die erste kompatible Integrationsplattform sein, die Halbleiter-Quantenemitter, Quantenspeicher auf der Basis von Seltenen Erden, kryogene Elektronik und supraleitende Einzelphotonendetektoren zusammen mit den herausragenden Eigenschaften von CMOS-kompatiblem Lithiumniobat auf Isolator vereint: verlustarme Schaltungen und schnelle Modulatoren. LiNQs wird den Grundstein dafür legen, dass Europa in einer künftigen, von der Photonik angetriebenen Quantentechnologie-Industrie eine Spitzenposition einnehmen wird.
Dieses Projekt wird vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union (Fördervereinbarung Nr. 101042672) gefördert.
Kontakt: Prof. Dr. Klaus Jöns
Weitere Informationen: https://cordis.europa.eu/project/rcn/208461/factsheet/en
Supraleitende Detektoren sind der Goldstandard der Messinstrumente für die Messung einzelner Photonen. Sie bieten unangefochtene Effizienzen, Signal-Rausch-Verhältnisse und zeitliche Genauigkeiten. Als einzelne Bestandteile haben diese Detektoren das Feld der Quantenoptik bereits revolutioniert und werden nun für die Fernerkundung, Kommunikation im Weltraum und sogar bei der Erforschung dunkler Materie verwendet.
Ein Ziel dieser Technologie ist der Bau größerer Arrays dieser Detektoren zum Einsatz in der Bildgebung oder für großskalige Photonenzählsysteme. Der Schlüssel zur Ausnutzung der Leistungsfähigkeit dieser Detektoren ist die Optimierung der zugrunde liegenden Quanten-Antwortfunktion. Dies wird durch die Charakterisierung und Entwicklung der Detektoren mittels eines Prozesses namens Quanten-Detektortomografie erreicht. Das Ziel von QuESADILLA ist die Umsetzung dieser Charakterisierung und die Optimierung verschiedener Freiheitsgrade für die Arrays supraleitender Detektoren. Auf diese Weise können die Detektoren nicht nur Photonen zählen, sondern bieten zudem spektrale, räumliche und zeitliche Informationen über den gemessenen optischen Zustand. Dieser Ansatz findet Anwendung in der Erzeugung von Hochkontrastbildern, dem spektral breitbandigen optischen Abtasten im Einzelphotonenbereich und der Photonenzählung im hohen Dynamikumfang.
Über das Projekt werden drei Wissenschaftler für die Entwicklung der Fabrikation und Charakterisierungswerkzeuge zum Bau der Arrays supraleitender Detektoren für fünf Jahre angestellt und ausgestattet.
Dieses Projekt wird vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union (Fördervereinbarung Nr. 101042399) gefördert.
Kontakt: Prof. Dr. Tim Bartley
Weitere Informationen: https://cordis.europa.eu/project/rcn/208461/factsheet/en
Das Verständnis nichtlinearer optischer Eigenschaften von zweidimensionalen Halbleitern und ihrer Heterostrukturen ist für ein erfolgreiches Design und die Herstellung von nanophotonischen Bauteilen unerlässlich. Insbesondere für rein photonische Elemente, die nur mit Licht funktionieren, müssen nichtlineare Eigenschaften präzise gesteuert und mit ausgefeilten Funktionalitäten kombiniert werden. Solche Funktionalitäten können durch nanostrukturierte Materialien entstehen, die auch als Meta-Oberflächen oder Metamaterialien bezeichnet werden. Die durch Metamaterialien induzierten lokalen elektromagnetischen Felder können einige Größenordnungen über dem des externen Beleuchtungsfelds liegen. Das vom ERC durch den Consolidator Grant „NONLINMAT“ finanzierte Projekt konzentriert sich auf die Kombination der deutlich verstärkten elektromagnetischen Felder aus nanostrukturierten Metamaterialien mit Halbleiterquantenstrukturen in Galliumnitrid und atomar dünnen Übergangsmetalldichalkogeniden, wie Monolagen aus Wolfram- oder Hafnium -Disulfid (auch als 2D-Material bezeichnet).
Im Unterschied zu den herkömmlichen halbleitenden Volumen- und Quasi-2D-Materialien, verbessern die Einschränkung der Quantenzustände und die reduzierte dielektrische Abschirmung in 2D-Halbleitern die Wechselwirkungen zwischen den Quasiteilchen und führen zu hohen Exziton-Bindungsenergien, bei denen Vielkörpereffekte berücksichtigt werden müssen. In einem solchen System von 2D-Halbleitern werden Untersuchungen der Vielteilchenphysik zu einem sehr spannenden Forschungsfeld, um die Grundlagen der Quantenmechanik zu erforschen. Es können insbesondere unkonventionelle exzitonische Quasiteilchen hoher Ordnung wie Trionen und Biexzitonen existieren, und die verstärkten elektromagnetischen Felder der Laseranregung können zur Beobachtung dieser Quasipartikel beitragen und die zugrunde liegenden Vielteilcheneffekte aufdecken. Andererseits können nichtlinear-optische Eigenschaften von nanostrukturierten Metamaterialien durch atomar dünne 2D-Materialien moduliert werden. Die lokalisierten Oberflächenresonanzen von Nanostrukturen treten dabei an den Metall-2D-Halbleiter-Grenzflächen auf. Darüber hinaus kann durch Anpassen der Frequenzbänder der Nanostrukturen, die mit den Emissionsbändern des 2D-Materials überlappen, die resonante Kopplung von Emissionsbändern zu einer neuen Physik führen, wie etwa speziell polarisierten Oberflächenplasmonen.
Das Projekt untersucht den Einfluss selektiver Kopplungsmechanismen basierend auf Symmetrieaspekten der Nanostrukturen und der Gittersymmetrie der 2D-Materialien. Der Fokus liegt dabei auf der Verbesserung nichtlinearer optischer Effekte und der Kontrolle der Eigenschaften mit reinem Licht. Die Ergebnisse werden zu einem tieferen Verständnis der Kopplungsmechanismen zwischen künstlich hergestellten Nanostrukturen und natürlichen Materialsystemen führen. Andererseits kann die verbesserte Wechselwirkung zwischen Licht und Materie zu kleineren und effizienteren rein optischen Geräten für zukünftige Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung führen.
Dieses Projekt wird vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union (Fördervereinbarung Nr. 724306) gefördert.
Research contact: Prof. Dr. Thomas Zentgraf
Further information: https://cordis.europa.eu/project/rcn/208461/factsheet/en
Eine der höchsten Auszeichnung für Forscher auf internationalem Top-Niveau ist der “ERC Consolidator grant”. Diesen verleiht der Europäische Forschungsrat an herausragende Wissenschaftler am Beginn ihrer Karriere, die sich bereits mit zukunftsweisenden Projekten einen Namen gemacht haben.
Christine Silberhorn, Leiterin der Arbeitsgruppe „Integrierte Quantenoptik“ in Paderborn, erhielt 2016 diese Auszeichnung für ihr Projekt “ Quantum Particles on Programmable Complex Reconfigurable Networks”, kurz “QuPoPCoRN”, das im Juli 2017 startete. Seitdem erforscht sie mit ihren Mitarbeitern die Dynamik und Wechselwirkung von Quantenteilchen in großen Netzwerken, die sowohl in dem Bereich der theoretischen Konzeption als auch in der experimentellen Umsetzung sehr herausfordernd sind.
Diese Forschung ermöglicht das Verständnis der zugrundeliegenden Strukturen von einer Vielzahl an physikalischen Phänomenen. Aus diesem Grund ist ein flexibler, experimentell zugänglicher Aufbau von Nöten mit dem Potential, das Zusammenwirken von Störungen, Kohärenz und nicht-klassischen Korrelationen zu studieren. Deswegen entwickeln die Wissenschaftler optische zeitlich-gemultiplexte Netzwerke, zusammen mit zugeschnittenen Vielphotonenzuständen als innovative Plattform für große Quantennetzwerke. Mit diesem Ansatz können sie die Dynamik von mehreren Quantenteilchen auf komplexen Strukturen untersuchen, insbesondere im Hinblick auf die Rolle von bosonischer Interferenz, Korrelationen und Verschränkung. Um so große Netzwerkstrukturen aufzubauen, bedarf es innovative Strategien zur Verminderung von Dekohärenzeffekten: Programmierbare Störungen, topologisch geschützte Quantenzustände und stetige Distillation von Verschränkungseigenschaften sind dazu drei Ansätze der Wissenschaftler. Die Ziele in QuPoPCoRN umfassen das präzise Verständnis der Rolle von Viel-Teilchen Quantenphysik in großen, komplexen Strukturen unter zu Hilfenahme von zeitlich gemultiplexten Netzwerken.
Dieses Projekt wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union (Fördervereinbarung Nr. 725366 ) gefördert.
Wissenschaftliche Ansprechpartnerin: Prof. Dr. Christine Silberhorn
Das Projekt „UNIQORN“ (Affordable Quantum Communication for Everyone) startete Ende 2018 im Rahmen der europäischen Forschungsinitiative „Quantum Flagship“. Ziel des drei Jahre laufenden Projekts ist es, photonische Technologien in der Quantenkommunikation zu nutzen. Die optischen Systeme, die derzeit Aufbauten in der Größenordnung von Metern benötigen, sollen in Zukunft auf millimetergroßen Chips untergebracht werden. Neben der Reduzierung der Größe und damit auch der Kosten werden die Systeme robuster und lassen sich besser reproduzieren.
„UNIQORN“ ist ein Verbundprojekt mit Partnern aus Industrie und von Universitäten. Insgesamt 17 Gruppen aus verschiedenen europäischen Ländern arbeiten unter der Koordination des österreichischen „Austrian Institute of Technology“ zusammen. In Paderborn sollen spezielle nichtlineare integriert optische Bauelement (z.B. Photonenpaar-Quellen) entwickelt werden, die maßgeblich zur angestrebten Miniaturisierung beitragen. Diese Bauelemente werden dann von anderen Projektpartnern zu hybriden Funktionseinheiten kombiniert um dann mit ausgewählten Quantenanwendungen die Funktionalität in realen Kommunikationsnetzen zu demonstrieren.
Das UNIQORN-Projekt wird im Rahmen der Fördervereinbarung Nr. 82047474 aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union Horizon 2020 gefördert.
Wissenschaftliche Ansprechpartnerin: Prof. Dr. Christine Silberhorn
Weitere Informationen: https://quantum-uniqorn.eu/
Datensicherheit ist für unsere moderne Gesellschaft von entscheidender Bedeutung. Wegen der Bedrohung von persönlichen Daten und Identitätsbetrug bis hin zu Cyber-Angriffen, die die Integrität souveräner Nationen bedrohen, war der Bedarf an sicherer Kommunikation und Datenverarbeitung noch nie so groß wie jetzt. In der Theorie würden Quantennetzwerke diese Probleme adressieren, da sie für kryptografische Kommunikationsaufgaben nachweislich sicher sind. Der nächste Schritt ist es jetzt physikalische Quantennetzwerke zu bauen, die eine solche sichere Kommunikation in der Praxis implementieren. PhoQSNet, unser Antrag im Rahmen der Großgeräte Initiative, wird die Infrastruktur und Technologie bereitstellen, die für den Aufbau eines Netzwerkes für photonische Quantensysteme im städtischen Maßstab erforderlich sind.
Das ehrgeizige Ziel von PhoQSNet ist es, die Infrastruktur für ein Quantennetzwerk mit drei Knoten bereitzustellen. Dies ermöglicht, verschiedene Konfigurationen der Quantenkommunikationstechnologie zu erforschen, einschließlich Punkt-zu-Punkt-Protokollen, Quantenrelais und Quanten-Repeater-Knoten. Dabei werden wir Protokolle erforschen, die sowohl eine diskrete als auch eine kontinuierliche Kodierung der Quanteninformation verwenden.
Das physikalische Fasernetz wird die Gebäude A und P auf dem Hauptcampus der Universität Paderborn mit dem Heinz Nixdorf Institut, das 3,6 km entfernt liegt, verbinden. Alle drei Standorte werden mit kommerziellen dunklen Glasfasern des städtischen Standard-Glasfasernetz verbunden. Jeder der drei Knoten beherbergt eine Quanten-Sender-und-Empfänger-Station, die mit komplementären Komponenten ausgestattet ist, um verschiedene Quantenkommunikationsprotokolle zu realisieren: Quellen und Detektoren für Quantenlicht und Instrumente zur Charakterisierung von Quanten- und klassischen Kanälen. Die modulare Struktur von PhoQSNet gewährleistet eine zukünftige Kompatibilität mit neuartigen faserbasierten Quantenkommunikationtechnologien. Unser vorgestelltes Testnetzwerk ist daher ein entscheidender Wegbereiter für Quantenkommunikationsanwendungen.
Unsere Initiative stützt sich auf eine etablierte Zusammenarbeit zwischen Elektrotechnik, Physik, Mathematik und Informatik, die in dem kürzlich gegründeten Institut für Photonische Quantensysteme an der Universität Paderborn zusammengeführt wurde. Damit verfügt unserer Initiative über Expertise in allen relevanten Bereichen des Vorhabens, sowie über eine etablierte Dachorganisation für ihre Umsetzung und langfristige Nachhaltigkeit. Diese einzigartige interdisziplinäre Forschungsumgebung mit Spezialisten für Quantenquellen und -detektoren, Hochgeschwindigkeitskommunikationssysteme sowie Codes und Kryptographie ermöglicht es uns nicht nur, bestehende interdisziplinäre Projekte umzusetzen, sondern auch bahnbrechende zukünftige Forschungsrichtungen zu etablieren und das Fortbestehen von PhoQSNet weit über die erste Förderphase hinaus für die kommenden Jahre zu sichern.
Aus dem PhoQS sind maßgeblich die Arbeitsgruppen Hybrid Quantum Photonic Devices, Integrated Quantum Optics, Mesoskopische Quantenoptik und Schaltungstechnik an PhoQSNet beteiligt. Das Projekt wird seit 2022 über einen Zeitraum von fünf Jahren von der DFG gefördert. Weitere Informationen erhalten Sie auf der Projektseite der DFG.
Kontakt: Prof. Dr. Klaus Jöns
Das Projekt „Sub-Poissonian Photon Gun by Coherent Diffusive Photonics“, kurz PhoG, ist eines von 20 Projekten der ersten Förderphase des europäischen „Quantum Flagship“, einer der größten und ehrgeizigsten Forschungsinitiativen der Europäischen Union.
Neben der Paderborner Arbeitsgruppe „Integrierte Quantenoptik“ von Frau Professor Silberhorn umfasst das Konsortium vier weitere Partner aus Großbritannien, Weißrussland, und der Schweiz. Unter der Leitung von Natalia Korolkova der Universität St. Andrews werden die Partner deterministische und kompakte Quellen für nicht-klassische Lichtzustände, sogenannte Photon Guns, entwickeln, indem sie Verluste und Kopplungen in integrierten Wellenleiternetzwerken maßschneidern. Diese Photon Guns werden dann in verschiedenen Quantentechnologien zum Einsatz kommen, z.B. um die Frequenzstabilität von Atomuhren zu verbessern. Die Paderborner Gruppe wird sich hierbei vor allem mit der Charakterisierung der nicht-klassischen Lichtzustände befassen.
Das PhoG-Projekt wird im Rahmen der Fördervereinbarung Nr. 820365 aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union Horizon 2020 gefördert.
Wissenschaftliche Ansprechpartnerin: Prof. Dr. Christine Silberhorn
Weitere Informationen: https://www.st-andrews.ac.uk/~phog/
Durch den weltweit exponentiell wachsenden Datentransfer steigt der Bedarf an High-Speed Serverkommunikation in Datencentern. Anbieter von Cloud- und Streamingdiensten wie beispielsweise Google, Apple oder Amazon benötigen effiziente Server-Kommunikation mit hohen Datenraten. Um effizienten High-Speed Datentransfer zu ermöglichen werden innovative Transceiver Konzepte benötigt. Siliziumphotonik ermöglicht hohe Kosten- und Verlustleistungseffizienz durch die Integration von optischen und elektronischen Komponenten gemeinsam in einem Siliziumchip. Allerdings limitiert die geringe Bandbreite elektrooptischer Modulatoren derzeit die Gesamtgeschwindigkeit von optischen Sendern und Empfängern in Silizium-Technologie.
Das NyPhE Projekt befasst sich mit der Entwicklung einer innovativen Sender- und Empfängerstruktur, die trotz geringer Bandbreiten der elektrooptischen Modulatoren hohe Datenraten von bis zu 400 Gbit/s ermöglicht. Dabei bestimmt die Geschwindigkeit des Modulators maßgeblich die Datenrate des Gesamtsystems. Durch die Verwendung von optischen Nyquist-Pulsen können jedoch mehrere Modulatoren in verschiedenen Kanälen verwendet und somit die Gesamtgeschwindigkeit erhöht werden. Das rechteckige Frequenzspektrum der optischen Nyquist-Pulse kann durch einen Frequenzkamm approximiert und mittels eines CW-Lasers und eines Mach-Zehnder-Modulators generiert werden (siehe Abb. 2a). Da sich aufeinanderfolgende Nyquist-Pulse durch ihr charakteristisches Frequenzspektrum untereinander nicht beeinflussen, können mehrere Pulse auf verschiedenen Kanälen sequentiell moduliert (siehe Abb. 2b) und anschließend ohne Informationsverlust addiert werden (siehe Abb. 2c). Dadurch wird die Gesamtbandbreite des Systems erhöht und die Datenrate um die Anzahl der Kanäle vervielfacht. Empfängerseitig kann das Signal ebenfalls sequentiell auf mehreren Kanälen verarbeitet werden. Dazu wird das optische Signal aufgeteilt, mittels elektrooptischer Modulatoren und Photodioden in elektronische Signale umgewandelt, verstärkt und ausgegeben.
Das Projekt wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung finanziert. Partner des Projekts sind die Technische Universität Dresden, Sicoya GmbH, die Technische Universität Braunschweig und die Leoni AG.
Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Christoph Scheytt
Weitere Informationen: https://www.hni.uni-paderborn.de/sct/projekte/nyphe/
Im Zentrum des neuen Potentialbereichs "Photonisches Quantencomputing PhoQC" an der Universität Paderborn steht die Frage nach der Umsetzung wichtiger Anwendungen des Quantencomputings basierend auf photonischen Quantensystemen. Perspektivisch soll ein national und international sichtbares und führendes Forschungszentrum im Bereich Photonisches Quantencomputing geschaffen werden. An der Initiative beteiligt sind Wissenschaftler*innen aus den Fakultäten für Naturwissenschaften und für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik, insbesondere federführend aus dem Department Physik, dem Institut der Informatik und der Elektrotechnik sowie aus den beiden Bereichen der angewandten und reinen Mathematik. Die ambitionierte Zielstellung dieses Projekts lässt sich nur in einem langfristig angelegten und innovativen interdisziplinären Ansatz erfolgreich verfolgen, der die relevanten Disziplinen in allen Forschungs- und Entwicklungsphasen vereint. Hierbei ist auch der Aufbau eines tragfähigen Konzepts zur Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses von besonderer Bedeutung, um Quantentechnologien langfristig in der Gesellschaft zu verankern und exzellente Fachkräfte für die Wirtschaft der Zukunft auszubilden. Durch den gezielten Zusammenschluss komplementärer Kernkompetenzen wird das zukunftsweisende Forschungsfeld des photonischen Quantenrechnens erschlossen und neue Synergien weit jenseits der Kapazitäten der einzelnen Felder geschaffen und genutzt. Von besonderer Bedeutung in der deutschen Forschungslandschaft ist hierbei die Etablierung neuer Strukturen, die das Thema aus der Grundlagenforschung in der Physik in die Forschungsaktivitäten der Ingenieurwissenschaften übertragen. Der Potentialbereich Photonisches Quantencomputing bündelt Expertisen der Universität Paderborn in den Profilbereichen „Intelligente Technische Systeme“ und „Optoelektronik und Photonik“. Die zusätzlich mit diesem Vorhaben geschaffenen Strukturen werden dazu beitragen, beide Profilbereiche fachlich weiter zu stärken und Nachwuchsförderung und Gleichstellung für diesen Bereich, in dem bislang Frauen weit unterrepräsentiert sind, weiter voranzubringen. Dieses Vorhaben geht dabei deutlich über die existierenden Profilbereiche hinaus, indem es das neue, visionäre Themenfeld des Photonischen Quantencomputings eröffnet und dazu Bereiche aus Natur- und Ingenieurswissenschaften sowie Informatik und Mathematik zusammenführt. Mit dem Forschungszentrum Photonisches Quantencomputing wird in NRW die Forschungslandschaft im Bereich der Quantentechnologien und des Quantencomputings signifikant erweitert und gestärkt und wichtige universitäre Strukturen für die interdisziplinäre Ausbildung von Hochschulabsolvent *innen, die für das Zukunftsfeld Quantentechnologien passgenaue Expertisen haben, aufgebaut.
Das Projekt wird über die Laufzeit vom 01.11.2021 bis 31.10.2024 vom Ministerium für Kultur und Wissenschaft des Landes Nordrhein-Westfalen gefördert.
Kontakt: Prof. Dr. Christine Silberhorn
Das Hauptziel dieses Projekts ist die Integrierung und Ausnutzung von hocheffizienten, supraleitenden Detektoren auf nichtlinearen Wellenleitern in Lithiumniobat, um neue Funktionalitäten in der Quantenoptik zu ermöglichen. Die Herausforderung besteht darin, die Vorteile von Lithiumniobat zu bewahren, während der Nutzung von tiefen Temperaturen. Erste Schritte in diese Richtung haben wir bereits gezeigt. Neu an diesem Vorgehen ist die Verbindung dieser Komponenten und das Potenzial dieses Verfahrens zu verwirklichen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden wir die weltführende Lithiumniobattechnologie an der Universität Paderborn zusammen mit der supraleitenden Detektortechnologie vom National Institute for Standards and Technology (NIST), Boulder, Colorado vereinen. Wir planen, fünf maßgeschneiderte Komponenten zu demonstrieren, die die Vielfalt unserer modularen Vorgehensweise beispielhaft zeigen. Unter anderem geht es darum, die Eigenschaften des Lithiumniobatwellenleitersubstrats an den supraleitenden, dünnen Schichten anzupassen sowie die nichtlinearen Eigenschaften des Lithiumniobats bei tiefen Temperaturen zu optimieren.
Diese Komponenten werden in der Zukunft als Teile eines großen Quantenkommunikationssystems betrachtet, die als flexible und notwendige Verknüpfungen zwischen anderen Komponenten, die auf anderen Plattformen basieren, fungieren. Um Quantentechnologie und insbesondere die Quantenkommunikation zu entfalten, ist eine modulare Vorgehensweise sinnvoll, sodass einzelne Komponenten separat optimiert (und evtl. repariert) werden können, ohne dem ganzen System zu schaden. Langfristig gesehen wird sich erhofft, unsere Komponenten mit anderen Technologien anzupassen, um einen Mehrwert und mehr Funktionalität zu ermöglichen.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner: Prof. Dr. Tim Bartley
Weitere Informationen: https://www.photonikforschung.de/projekte/quantentechnologien/projekt/isoqc.html
Quantentechnologien werden einen transformativen Einfluss auf unsere Gesellschaft besitzen; insbesondere Quantencomputing welches den grundlegenden quantenmechanischen Effekt der Verschränkung für die effiziente Berechnung von Aufgaben verwendet, die mit einem klassischen Computer in realistischer Zeit nicht durchgeführt werden können. Zusammen mit superleitenden Quantenzuständen (Qubits) sind Photonen die einzigen Plattformen, welche einen solchen Quantenvorteil bereits demonstriert haben.
Allerdings wird die Quantenphotonik ihre Erwartungen als bahnbrechende Technologie nur erfüllen, wenn sie auf skalierbare Weise integriert wird. Die Lösung liegt in quantenphotonischen integrierten One-way Quantencomputing Schaltkreisen, in denen verschränkte Photonen-Clusterzuzstände zur Kodierung und Verarbeitung von Quanteninformation auf einem kompakten photonischen Schaltkreis verwendet werden.
In diesem Projekt wird die Universität Paderborn einen integrierten photonischen Schaltkreis realisieren, welcher dank ultra-schneller integrierter Modulatoren und kryogener Elektronik diese Feed-forward Operation ermöglicht. Dank der Dünnschichtlithiumniobat auf-Isolator-(LNOI) Plattform, welche über einen großen elektrooptischen Effekt, niedriger Transmissionsverluste in einem breiten Wellenlängenbereich, sowie starker Nichtlinearität verfügt, ist es der Universität Paderborn möglich alle Qubitmanipulationsoperationen eines One-way Quantencomputers auf einer einzigen Materialplattform zu realisieren. Das gleichzeitige Verbinden aller One-way Quantencomputing-Bausteine auf einer einzigen Materialplattform gewährleistet hohe Kompatibilität und ermöglicht eine effiziente Skalierbarkeit. Die Universität Paderborn entwickelt damit die Kerntechnologie zur Realisierung des ersten skalierbaren, integrierten One-way Quantencomputer Demonstrator QPIC-1.
In der Laufzeit vom 01.09.2021 bis zum 31.08.2025 wird das Projekt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Weitere Informationen finden Sie auf der BMBF-Projektseite.
Kontakt: Prof. Dr. Klaus Jöns
Ideale eindimensionale elektronische Systeme haben besondere Eigenschaften, wie die Quantisierung der Leitfähigkeit, Ladungsdichtewellen und Luttingerflüssigkeitsverhalten, und eine Vielzahl von Instabilitäten mit einer Vielzahl von zugehörigen Phasenübergängen.
Diese sind auf ihre reduzierte Dimensionalität und die damit verbundene hohe elektronische Korrelationen zurückzuführen.
Die Erforschung und Identifizierung von physischen Szenarien mit eindimensionalen Eigenschaften unter expliziter Berücksichtigung von 2D- und 3D-Kopplung ist das zentrale Thema der Forschergruppe FOR1700, in der die Arbeitsgruppe von Professor Schmidt mit Forschern aus Würzburg, Duisburg, Berlin, Rom, Hannover, Gießen, Chemnitz, Düsseldorf, und Osnabrück zusammenarbeitet.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner: Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt
Jitterarme Signalquellen werden häufig für Objekterkennung, Navigations- und Ultra-Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikationssysteme eingesetzt. Der Jitter der Signalquellen wird von der Referenzsignalquelle dominiert, die ein Oszillator mit Surface-Acoustic-Wave-Resonator (SAW-Resonator) oder mit Quarzresonator ist. Diese rauscharmen Referenzoszillatoren sind derzeit Stand der Technik für Kommunikationssysteme. Jedoch können mit einem Mode Locked Laser (MLL) erzeugte optische Impulsfolgen einen um 2-3 Größenordnungen kleineren Jitter erreichen. Es wurde auch gezeigt [4], dass durch die Verwendung eines optoelektronischen Phasendetektors und einer Phasenregelschleife ein Mikrowellenoszillator an einen MLL gekoppelt werden kann. Solche opto-elektronischen Phasenregelkreise (OEPLL) haben ein großes Potenzial für eine neue Klasse von Frequenzsynthesizern mit extrem niedrigem Jitter.
Die größten Nachteile dieser OEPLLs sind ihre großen und teuren optischen Komponenten. Elektronisch-photonisch integrierte Schaltungen auf Basis der Silizium-Photonik-Technologie bieten das Potenzial für eine extreme Miniaturisierung dieser optischen Komponenten sowie die Integration von Optik und Elektronik und beides bei geringen Kosten.
Ziel dieses Projekts ist die Implementierung eines monolithisch-integrierten OEPLL mit einem extrem niedrigen Phasenrauschen. In Zusammenarbeit mit unseren Projektpartnern an der Ruhr-Universität Bochum entwickeln wir die nächste Generation von jitterarmen Mikrowellensignalquellen. Diese Art von Signalquelle verwendet eine PLL, die die optische Pulsfolge eines MLLs als Referenz verwendet. Um die Vorteile des Referenzsignals im optischen Bereich voll auszuschöpfen, erfolgt die Phasendetektion elektrooptisch mit einem Mach-Zehnder-Modulator (MZM).
In der ersten Phase wird das Gesamtsystem mit modularen Komponenten realisiert. In der zweiten Phase werden der MZM und die Elektronik in einem einzigen Siliziumchip integriert. Die Arbeit wird von theoretischen Untersuchungen begleitet, die durch Messungen validiert werden.
Ziel des Projekts ist, dass der additive Jitter des OEPLL kleiner als der Referenz-MLL-Jitter ist. Das Mikrowellensignal hätte damit einen In-Band Jitter, der herkömmliche elektronische PLLs bei Weitem übertrifft.
References:
[1] Kim et al, “Sub-100-as timing jitter optical pulse trains from mode-locked Er-fiber lasers,” Optics letters, vol. 36, no. 22, pp. 4443-4445, 2011.
[2] “Ultra Low Phase Noise Oven Controlled Crystal Oscillator,” Vectron, Datasheet OX-305.
[3] “Voltage Controlled SAW Oscillator Surface Mount Model,” Synergy Microwave, Datasheet HFSO1000-5.
[4] Jung et al, “Subfemtosecond synchronization of microwave oscillators with mode-locked Er-fiber lasers,” Optics letters, vol. 37, no. 14, pp. 2958-2960, 2012
Wissenschaftlicher Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Christoph Scheytt
Das Schwerpunktprogramm "Integrierte Elektronisch-Photonische Systeme für die Ultrabreitbandige Signalverarbeitung" (SPP 2111) ist ein Förderprogramm, das sich mit dem noch jungen Forschungsgebiet der integrierten, elektronisch-photonischen Systeme auf Basis neuer nanophotonischer/nanoelektronischer Halbleitertechnologien, insbesondere der Siliziumphotonik und Indium-Phosphid-Technologien, befasst. Das Programm wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert und von Prof. Christoph Scheytt koordiniert.
Das Ziel des Schwerpunktprogramms ist, nanophotonische/ nanoelektronische Halbleitertechnologien aus einer Systemperspektive heraus zu untersuchen und neue Konzepte für die elektronisch-photonische Signalverarbeitung und Algorithmen, sowie neue integrierte elektronisch-photonische Systemarchitekturen zu finden. Die Forschung fokussiert auf drei Schwerpunkte:
- Ultrabreitbandige elektronisch-photonische Signalverarbeitung mit Bandbreiten weit jenseits elektronischer Systeme
- Frequenzsynthese, Analog-Digital-Wander, Digital-Analog-Wandler auf Basis von mode-locked Laser
- Optische und THz-Sensorik
Die Forschungsarbeiten werden in enger fachübergreifender Zusammenarbeit von Forschern aus Halbleiterphysik, Elektronik, Photonik, Informatik, Kommunikationstechnik, Mikrosystemtechnik und Sensorik durchgeführt.
Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Christoph Scheytt
Mehr Informationen über das SPP 2111 und eine Liste der in der ersten Phase des SPP (2018 bis 2021) geförderten Projekte sind in der Förderdatenbank GEPRIS der DFG zu finden unter: gepris.dfg.de/gepris/projekt/359861158 .
Schnelle Digital-Analog-Umwandler (engl. digital-to-analog converter, DAC) sind unverzichtbare Komponenten in modernen Signalverarbeitungs-Systemen. Bandbreite und effektive Auflösung (engl. effective number of bits, ENOB) sind wichtige Kenndaten von schnellen DACs. Gleichzeitig stellen sie einen Zielkonflikt beim Entwurf eines DACs dar: Je breitbandiger der DAC, desto geringer ist typischerweise die Auflösung. Gründe dafür sind der Jitter des Taktsignals und die Linearität schneller Transistoren, die für die Ausgangsstufe des DACs benötigt werden [1]. Diese grundsätzlichen physikalischen Begrenzungen motivieren die Suche nach neuen DAC-Konzepten. Besonders vielversprechend sind elektronisch-photonische DAC-Konzepte und ihre integrierte Realisierung mittels Siliziumphotonik.
Das Ziel des PONyDAC Projekts ist die Untersuchung von elektronisch-photonischen DACs mittels Synthese optischer Nyquistpulse und optischem/elektronischem Time-interleaving. Dieses Konzept soll in modernster Siliziumphotonik-Technologie, durch die monolitische Ko-Integration von photonischen und elektronischen Komponenten, implementiert werden. Dieser völlig neue Ansatz hat das Potential die Signalbandbreite heutiger DACs zu vervielfachen.
Das funktionale Prinzip ist in Abb. 1 dargestellt. Ein Mach-Zehnder Modulator (MZM) wird optisch von einem Continous Wave Laser (CW) und elektronisch von einer hochfrequenten Signalquelle (RFG, radio frequency generator) mit möglichst geringem Phasenrauschen gespeist. Durch Einstellung sowohl der Amplitude und Frequenz des Signals als auch des Arbeitspunkts des MZMs können optische Frequenzkämme erzeugt werden, welche im Zeitbereich periodischen Nyquistimpulsen mit einstellbarer Repititionsrate und Pulsweite entsprechen [2]. In einem folgenden optischen Leistungsteiler werden die Nyquistpulsefolgen in N Arme aufgeteilt und zeitlich zueinander verzögert. Die Mach-Zehnder Modulatoren in den Armen werden durch elektronische DACs [s_0 s_1…s_(N-1)] angesteuert und modulieren den Lichtpuls im jeweiligen Arm. In einem optischen Kombinierer werden die modulierten Signale bei passender Verzögerung (time-interleaving) zu einem einzelnen Ausgang überlagert.
Das Konzept des optischen time-interleaving ermöglicht eine sehr hohe Ausgangsbandbreite, die ein Vielfaches der Bandbreite elektronischer DACs betragen kann. Im Projekt soll ein elektronisch-photonischer DAC in einer modernen Siliziumphotonik-Technologie realisiert werden [3], der eine Ausgangsbandbreite von mehr als 100 GHz erreicht.
Das Projekt PONyDAC wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Schwerpunktprogramms „Electronic-Photonic Integrated Systems for Ultrafast Signal Processing“ (SPP 2111) gefördert. Projektpartner ist das Institut für Hochfrequenztechnik der TU Braunschweig (Prof. Thomas Schneider).
[1] M. Khafaji, J. C. Scheytt, et. al., "SFDR considerations for current steering high-speed digital to analog converters," 2012 IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting (BCTM), Portland, OR, 2012
[2] M. A. Soto et al., “Optical sinc-shaped Nyquist pulses of exceptional quality,” Nat. Commun., vol. 4, no. May, pp. 1–11, 2013.
[3] L. Zimmermann et al., “BiCMOS Silicon Photonics Platform,” Opt. Fiber Communication Conference (OFC), San Diego, p. Th4E.5, 2015.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Christoph Scheytt
Die heutige Gesellschaft basiert auf dem schnellen Zugang zu Informationen. Ein Informationsvorsprung ist in den Bereichen Wirtschaft, Finanzen, Politik und Sicherheit von entscheidender Bedeutung. Der Großteil unseres Informationsaustauschs erfolgt über das Internet. Die derzeitige Struktur unseres Internets hat jedoch nicht nur Kapazitätsgrenzen, auch die Datenübertragung ist nicht sicher. Daher müssen wir in ein zukünftiges Netz investieren, das in der Lage ist, den massiven Datenfluss zu bewältigen und eine sichere Datenkommunikation zu ermöglichen. Die Physik bietet mit dem so genannten Quanteninternet eine Lösung für diese schwierige Aufgabe. Mit Hilfe der Quantenmechanik ist es möglich, Informationen auf dem kleinsten Energiequantum, einem einzelnen Lichtteilchen, dem Photon, zu kodieren. Auf einzelnen Photonen kodierte Informationen können nicht abgehört werden, ohne dass der Sender und der ursprüngliche Empfänger dies bemerken. Das Grundkonzept beruht auf Netzknoten und speziellen Verbindungen, die das quantenmechanische Analogon zu den klassischen Glasfaserverstärkern darstellen, die derzeit zur Überwindung von Übertragungsverlusten in Standardnetzen verwendet werden, um physisch getrennte Knoten miteinander zu verbinden. Dasselbe quantenmechanische Prinzip (Non-Cloning-Theorem), das das Netz absolut sicher macht, macht jedoch auch die klassische Signalverstärkung unmöglich. Qurope entwickelt Quantenkommunikationsverbindungen, die einen anderen quantenmechanischen Effekt nutzen, um Übertragungsverluste zu überwinden: Entanglement-Swapping unter Verwendung von Quanten-Repeatern. Dies ermöglicht die Übertragung von Quanteninformationen, ohne dass ein einzelner Informationsträger über die gesamte Entfernung zum Empfänger gesendet werden muss. Um solche Quanten-Repeater zu realisieren, sind Quantenspeicher und Quellen für verschränkte Photonenpaare erforderlich. Das Ziel von Qurope ist es, eine hybride Quanten-Repeater-Architektur zu entwickeln, die auf ungleichen Quantensystemen basiert, und ihre Leistungsfähigkeit in realen Anwendungen zu testen. Die geplante Implementierung basiert auf zwei bahnbrechenden Technologien, die im Rahmen des Projekts entwickelt werden:
(i) Nahezu ideale, auf Quantenpunkten basierende Quellen für verschränkte Photonenpaare, die sich gleichzeitig durch hohe Helligkeit, einen nahezu einheitlichen Verschränkungsgrad und Ununterscheidbarkeit, Abstimmbarkeit der Wellenlänge und bedarfsgerechten Betrieb auszeichnen werden.
(ii) Effiziente und breitbandige Quantenspeicher, die speziell für die Speicherung und den Abruf von polarisationsverschränkten Photonen aus Quantenpunkten konzipiert und entwickelt werden.
Verschiedene Quantenpunkt-Quantenspeichersysteme werden kombiniert, um Nahinfrarot- und Telekom-basierte Quanten-Repeater zu entwickeln, die dann unter Verwendung von auf Verschränkung basierenden Quantenschlüsselverteilungsprotokollen sowohl im freien Raum als auch auf Glasfasern getestet werden. Dies wird in der elementaren Quantennetzwerk-Infrastruktur des Konsortiums durchgeführt - ein wichtiger Durchbruch, der den Weg für die künftige groß angelegte Umsetzung einer sicheren Quantenkommunikation ebnen wird. Das Projekt kombiniert Halbleiterphysik, Nanofabrikationstechnologie, Atomphysik und Quantenoptik und profitiert stark von den entstehenden Synergieeffekten. Damit verfügt Qurope über alle erforderlichen Werkzeuge, um endlich einen funktionsfähigen hybriden Quanten-Repeater zwischen Quantennetzknoten zu realisieren, der uns dem Quanteninternet einen großen Schritt näher bringt.
Kontakt: Prof. Dr. Klaus Jöns
Ziel der ersten Förderperiode des Projektes ist eine Bibliothek mit Bauelementen und analogen sowie digitalen Grundschaltungen für Sensor und Kommunikationsanwendungen basierend auf amorphen Metalloxiden auf flexiblen Substraten. Zur Implementierung der Hardware sollen Feldeffekttransistoren mit amorphen n-Halbleitern verwendet werden, die bei oder nahe der Raumtemperatur abgeschieden werden. Zunächst sollen diese auf Zinkzinnoxid basieren, später jedoch auch Materialien mit höherer Beweglichkeit untersucht werden. Für die Gatestruktur sollen MISFET, MESFET und JFET (basierend auf amorphen oxydischen p-Halbleitern) verglichen und die am besten geeignete Technologie für Schaltungen auf flexiblen Substraten (Kriterien: Gleich- und Wechselstromverhalten, Verhalten unter mechanischem und elektrischem Stress, Einfachheit und Reproduzierbarkeit der Fertigung) ausgewählt und detaillierter weiterverfolgt werden. Der gesamte Herstellungsprozess wird auf Temperaturen unter 100 °C begrenzt. Der Abscheidevorgang für die amorphen Halbleitermaterialien, der derzeit mit PLD bei Raumtemperatur erfolgt, soll auf Sputtern übertragen und optimiert werden, da diese Methode in der Industrie etabliert ist und die Skalierung für künftige Anwendungen erlaubt. Basierend auf der Fertigung und Charakterisierung der passiven und aktiven Bauelemente sollen Modellbibliotheken entwickelt werden, die die Basis von Schaltungssimulationen analoger und digitaler Grundschaltungen ermöglichen. Für erste Demonstratoren wird die Frequenz von 6.8 MHz, im weiteren Projektverlauf das ISM-Band bei 13.5 MHz für Sensor- und Kommunikationsanwendungen auf flexiblen Substraten, z.B. nahe am menschlichen Körper, angestrebt. Hieraus ergibt sich der Wunsch, in der zweiten Förderperiode mit einer dritten Gruppe zusammenzuarbeiten, die im Bereich der Kommunikationstechnik, Sensorik oder Medizinelektronik tätig ist. Daher sollen die Ergebnisse einschließlich der Modell-, Bauelementeund Schaltungsbibliotheken nicht nur publiziert, sondern vor allem im Rahmen des Schwerpunktprogramms FFlexCom den Partnern angeboten werden.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Andreas Thiede
Siliziumbasierte Analog-Digital-Wandler (ADCs), die mit Abtastraten im zweistelligen GSa/s-Bereich arbeiten, sind heute Stand der Technik. Obwohl diese Wandler heute mit noch nie dagewesenen Abtastraten arbeiten, verbessern sich die effektive Auflösung (effective number of bits, ENOB) und die Analogbandbreite nur langsam. Ein wesentliches Hindernis für die weitere Verbesserung von Bandbreite und Auflösung ist der sog. Aperturjiitter, d.h. die zeitliche Unsicherheit der Abtastung, welche das Produkt aus ENOB und Bandbreite begrenzt. Die derzeit besten ADCs erreichen einen Aperturjitter von ca. 60fs, was ungefähr dem Taktjitter der verwendeten rauscharmen elektronischen Taktgeneratoren entspricht [1]. Eine weitere Reduzierung wird insbesondere für Abtastraten im hohen GHz-Bereich nur möglich sein, wenn sich der Taktjitter signifikant verringert. Dem gegenüber zeigen ultra-stabile moden-gekoppelte Laserquellen (MLLs) schon heute einen Taktjitter von wenigen Attosekunden [2]. Würde man diese Quellen als Referenz für die Abtastung verwenden, könnte man die Leistungsfähigkeit der ADCs um mehrere Bits verbessern, was mit diskreten elektronisch-photonisch ADCs bereits demonstriert wurde [1].
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens untersuchen wir ultra-breitbandige elektronisch-photonische ADCs in Siliziumphotonik-Technologie. Ziel ist es dabei, eine signifikante Verbesserung des ENOB-Bandbreite-Produkts experimentell zu demonstrieren. Dies würde eine revolutionäre Verbesserung des Standes der Technik bedeuten, welcher durch den geringen Jitter, die hohe Bandbreite und die massive Parallelisierbarkeit von integrierter Optik ermöglicht wird. Hierfür werden im Rahmen des Gemeinschaftsvorhabens zwei verschiedene elektronisch-photonische ADC-Architekturen und neuartige elektronisch-photonische Sampling-Techniken untersucht, für die analogen Bandbreiten von 500GHz bzw. 100 GHz, sowie ein ENOB von 5 bzw. 8 bit erreicht werden sollen.
Das Projekt PACE wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Schwerpunktprogramms „Electronic-Photonic Integrated Systems for Ultrafast Signal Processing“ (SPP 2111) gefördert. Projektpartner sind die RWTH Aachen (Prof. Jeremy Witzens), Karlsruhe Institut für Technologie (Prof. Christian Koos) und die Universität Hamburg / DESY (Prof. Franz-Xaver Kärtner).
[1] A. Khilo et al., “Photonic ADC: overcoming the bottleneck of electronic jitter,” Opt. Express, vol. 20, no. 4, p. 4454, 2012.
[2] A. J. Benedick, J. G. Fujimoto, and F. X. Kärtner, “Optical flywheels with attosecond jitter,” Nat. Photonics, vol. 6, no. 2, pp. 97–100, 2012.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Christoph Scheytt
Das Forschungsprojekts „MiLiQuant“ (Miniaturisierte Lichtquellen für den industriellen Einsatz in Quantensensoren und Quanten-Imaging-Systemen) startete im Jahr 2019 und hat zum Ziel neueste Entwicklungen der Quantentechnologie für Wirtschaft und Gesellschaft nutzbar zu machen. Konkret geht es dabei um miniaturisierte Lichtquellen für den industriellen Einsatz in Sensoren und sogenannten Imaging-Systemen. Das Vorhaben ist ein Gemeinschaftsprojekt der Unternehmen Q.ant, Zeiss, Bosch und Nanoscribe sowie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und der Universität Paderborn. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt MiLiQuant im Rahmen der Förderinitiative „Schlüsselkomponenten für Quantentechnologien“ bis Anfang 2021 mit rund 9,4 Millionen Euro.
Im Verbundprojekt MiLiQuant werden Strahlquellen auf der Basis von Diodenlasern so weiterentwickelt, dass sie eine industrielle Nutzung der Quantentechnologien ermöglichen. Dazu sollen miniaturisierte, frequenz- und leistungsstabile Strahlquellen realisiert werden, die einen möglichst justage- und wartungsfreien Einsatz auch außerhalb von Laborbedingungen erlauben. Die adressierten Anwendung liegt auf quantenbasierten Abbildungsverfahren im Sichtbare- und Infrarotbereich zur strahlungsreduzierten Mikroskopie an lebenden Zellen.
Die Arbeitsgruppe Silberhorn entwickelt innerhalb dieses Vorhabens Wellenleiterstrukturen im Nahinfraroten bei 2.5µm Wellenlänge. Darüber hinaus werden Photonenpaarkorrelationen für bildgebenden Verfahren untersucht. Dies umfasst neben der theoretischen Entwicklung geeigneter Quantenprotokolle auch die praktische Umsetzung und Demonstration im Quantenoptiklabor. In den nächsten drei Jahren wird daran gearbeitet, die wissenschaftlichen Ergebnisse möglichst nahtfrei in die Industrie zu überführen.
Wissenschaftliche Ansprechpartner: Prof. Dr. Christine Silberhorn Dr. Benjamin Brecht, Dr. Christof Eigner
Das Projekt ApresSF startete im Frühjahr 2020 im Rahmen des QuantERA Fördernetzwerk, welches es sich zum Ziel setzt, Quantentechnologieforschung international in Europa zu vernetzen. Das Ziel des Projekts ist es, eine anwendungsfreundliche Hard- und Softwareplattform für super-auflösende Zeit- und Frequenzmessungen zu entwickeln.
Neben der Paderborner Arbeitsgruppe „Integrierte Quantenoptik“ unter der Leitung von Frau Professor Christine Silberhorn sind an diesem Projekt weitere Partner aus Polen, der Tschechischen Republik, Spanien und Frankreich beteiligt. Unter der Leitung von Professor Lukasz Rudnicki von der Universität Gdansk werden in dem dreijährigen Vorhaben neue Theorieansätze und Quantenbauelemente zur Messung von Frequenz- und Zeitabständen entwickelt, die eine Genauigkeit erreichen, die mit klassischen Methoden nicht umsetzbar ist. Die Paderborner Gruppe unter Leitung von Doktor Benjamin Brecht wird dabei die benötigten Quantenbauteile entwickeln und herstellen, sowie Hochpräzisionsexperimente durchführen.
ApresSF wird vom BMBF im Rahmen des QuantERA Programms gefördert, welches von der EU im Rahmen des Horizon 2020 RIA Programms gefördert wird.
Wissenschaftliche Ansprechparter: Dr. Benjamin Brecht, Prof. Dr. Christine Silberhorn
Das Projekt QuICHE startete im Frühjahr 2020 im Rahmen des QuantERA Fördernetzwerk, welches es sich zum Ziel setzt, Quantentechnologieforschung international in Europa zu vernetzen. In diesem Projekt werden innovative Ansätze zur Quantenkommunikation mit großen Alphabeten erforscht und umgesetzt, mit dem Ziel sowohl Bitraten als auch Abhörsicherheit der Kommunikation zu erhöhen.
Neben der Paderborner Arbeitsgruppe „Integrierte Quantenoptik“ unter der Leitung von Frau Professor Christine Silberhorn sind an diesem Projekt weitere Partner aus Italien, Deutschland, Großbritannien, Frankreich und Polen beteiligt. Unter der Leitung von Professor Chiara Macchiavello vom INFN Pavia legt QuICHE neue theoretische Grundlagen für die Quantenkommunikation mit großen Alphabeten. Üblicherweise werden Daten als „0“ und „1“ kodiert. Allerdings wurde bereits gezeigt, dass die Verwendung von größeren Alphabeten echte Vorteile für Quantenkommunikation mit sich bringt, zum Beispiel eine erhöhte Wahrscheinlichkeit einen Lauscher zu entdecken. In QuICHE erforschen wir optimierte Kodierungsverfahren sowie deren experimentelle Umsetzung. Die Paderborner Gruppe unter Leitung von Doktor Benjamin Brecht wird hierbei neue Kodierungsmethoden experimentell umsetzen und hochdimensionale Quantenkommunikation in experimentell realisieren.
QuICHE wird vom BMBF im Rahmen des QuantERA Programms gefördert, welches von der EU im Rahmen des Horizon 2020 RIA Programms gefördert wird.
Wissenschaftliche Ansprechparter: Dr. Benjamin Brecht, Prof. Dr. Christine Silberhorn
Weiter Informationen:
https://www.forschung-it-sicherheit-kommunikationssysteme.de/projekte/quiche
Die Fähigkeit Messungen durchzuführen und in geeigneter Weise auszuwerten ist für den Fortschritt der THz-Kommunikationssysteme von entscheidender Bedeutung. Die Metrologie bei THz-Frequenzen befindet sich allerdings noch in einem frühen Stadium und umfasst, Stand heute, nur die Detektorkalibrierung, ultraschnelle Messgeräte und die Messunsicherheitsanalyse verschiedener THz-Spektrometer ab. In dieser DFG-Forschungsgruppe (Metrologie für die THz Kommunikation (FOR 2863)) geht ein Konsortium aus Universitäten, die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) und das National Physics Laboratory of Great Britain (NPL) systematisch auf die wichtigsten Herausforderungen der THz-Metrologie ein. Das Ziel ist es, Messmethoden zu etablieren, die auf das internationale Einheitensystem (SI) zurückzuführen sind, THz-Messgeräte zu evaluieren und THz-Systemmessungen durchzuführen.
Im Rahmen des Meteracom-Projekts bringt die Schaltungstechnik-Gruppe ihre Expertise auf dem Gebiet der optoelektronischen Frequenzsynthesizer mit ultraniedrigem Jitter ein. Mit Hilfe dieser Synthesizer ist es möglich die maximale Datenrate, welche theoretisch durch den Jitter des Lokaloszillators im Transceiver begrenzt ist, zu erhöhen. Darüber hinaus entwickelt die Schaltunstechnik-Gruppe ultrabreitbandige optisch geschaltete Abtast-ICs, sowie eine neue Generation von optischen Nyquist-Impulsabtast-ICs in einer fortschrittlichen Silizium-Photonik-Technologie.
Webseite: www.meteracom.de
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
PhD student:
Meysam Bahmanian
Responsible for frequency synthesizer and high speed ADC design.
Email: meysam.bahmanian[at]uni-paderborn.de
Supervisor:
Christoph Scheytt
Email: christoph.scheytt[at]hni.uni-paderborn.de
Publications:
Bahmanian, Meysam; Fard, Saeed; Koppelmann, Bastian; Scheytt, Christoph: Wide-Band Frequency Synthesizer with Ultra-Low Phase Noise Using an Optical Clock Source. In: 2020 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium (IMS), Los Angeles, CA, USA, USA, 4. - 6. Aug. 2020, IEEE (Details)
Scheytt, Christoph; Wrana, Dominik; Bahmanian, Meysam; Kallfass, Ingmar: Ultra-Low Phase Noise Frequency Synthesis for THz Communications Using Optoelectronic PLLs. In: International Workshop on mobile THZ Systems (IWMTS), 2. - 3. Jul. 2020 IWMTS (Details)
STORMYTUNE ist ein Dreijahresprojekt im Rahmen des EU Horizon 2020 FET Open Calls, das im Oktober 2020 startet. Das strategische Ziel von STORMYTUNE ist es, Quantenzeit- und -frequenzmessungen als Quantentechnologie zu etablieren. Dazu entwickeln wir neue, quanteninspirierte Ansätze für höchstauflösende Zeit- und Frequenzmessungen, die robust und einfach umsetzbar und damit für Anwendungen relevant sind.
Quantenmetrologie ist ein dynamisches Forschungsfeld, welches sich von einer Spielwiese für neue theoretische Konzepte hin zu einer ernstzunehmenden Technologie entwickelt. Erste Quantengravitationssensoren befinden sich derzeit im industriellen Teststadion. Quantenzeit- und -frequenzmessungen sind hingegen trotz mannigfaltiger Anwendungsmöglichkeiten – Beispiele hierfür sind GPS, LIDAR oder Mikroskopie – wenig erforscht und basieren oft auf der Verwendung fragiler Quantenzustände. Unter der Koordination der Paderborn Arbeitsgruppe „Integrierte Quantenoptik“ von Frau Professor Silberhorn geht STORMYTUNE hier neue Wege. Zusammen mit weiteren Partnern aus Großbritannien, Frankreich, Italien, Spanien, der Tschechischen Republik und Polen verschieben wir den Fokus weg von der Verwendung unpraktischer Quantenzustände hin zur Realisierung anwendungsfreundlicher Quantenmessungen. Dabei führt die Kombination von Quanteneigenschaften wie Verschränkung, effizienter Datenverarbeitung und gezielter Bauteilentwicklung letztlich zur Entwicklung eines Instrumentariums für alltagstaugliche, hochaufgelöste Zeit- und Frequenzmessungen. Angeführt von Dr. Benjamin Brecht werden Paderborner Forscher in STORMYTUNE neue Quantenbauteile und -messungen entwickeln und im Experiment demonstrieren.
STORMYTUNE wird von der EU im Rahmen des Horizon 2020 RIA Programms unter der Kennziffer 899587 gefördert.
Wissenschaftliche Ansprechparter: Dr. Benjamin Brecht, Prof. Dr. Christine Silberhorn
Unsere Fachgruppe entwickelt in Kooperation mit Partnern aus Industrie und Forschungsinstituten hochintegrierte elektrooptische MIMO-Radarsensoren für Anwendungen im Bereich hochautomatisiertes Fahren. Im Gegensatz zu anderen Sensorkonzepten für automatisches Fahren, wie z.B. Lidar (Light detection and ranging), VLC (visible light communication) oder kamera-basierten Systemen, sind radar-basierte Systeme deutlich robuster gegenüber Umwelteinflüssen, wie Umgebungslicht, Regen, Schnee, Nebel usw. Ausserdem sind Radarsysteme in der Lage selbst über sehr große Distanzen Objekte zuverlässig zu detektieren. Allerdings ist die Winkelauflösung selbst bei modernen Radarsystemen derzeit nicht ausreichend für das automatische Fahren.
Der limitierende Faktor bei der Winkelauflösung ist u.a. die maximale Fläche des Antennen-Arrays (Antennen-Apertur), denn je größer die Antennen-Apertur ist, desto besser ist die Winkelauflösung des Radarsystems, d.h. kleinere Objekte werden besser erkannt.
Eine große Herausforderung ist dabei die Kommunikation zwischen den Hochfrequenz-Radar-Frontends (77 GHz Radar-Chip mit Antenne) und der Zentralstation, in der die Sendesignale erzeugt und die Empfangssignale verarbeitet werden. Selbst bei moderaten Frequenzen von einigen GHz ist der maximale Abstand der Antennen durch Verluste in den elektrischen Leitungen (mehrere dB/cm), auf einige cm beschränkt. Im Gegensatz zu elektrischen Leitungen haben Glasfasern nur Verluste im Bereich von 0,1dB/km auch bei sehr hohen Frequenzen, wodurch es möglich ist den Abstand der Antennen fast beliebig groß zu entwerfen, wodurch die Winkelauflösung fast beliebig fein eingestellt werden kann.
Im Rahmen des Projekts wurden die weltweit ersten integrierten photonisch-elektronischen Radarchips entwickelt. Das optische Signal wird über Gitterkoppler in den Chip eingekoppelt, mittels Photodiode und Transimpedanzverstärker in ein elektrisches Signal gewandelt, in das Radarband von 76 GHz-77GHz hochgemischt, welches für automobile Anwendungen lizensiert ist, bevor es in einem Pufferverstärker und einem Leistungsverstärker verstärkt wird.
Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Christoph Scheytt
