Application-ready superresolution in space and frequency (ApresSF) Teilprojekt Anwendungsnahe Superauflösung in Raum und Frequenz - TV Zeit und Frequenz

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

Messungen jenseits der klassischen Grenzen

Bei jeder Messung stellt sich die Frage nach deren Auflösung. Das bestbekannte Beispiel hierfür ist die Bildgebung. Zwei Punkte verschwimmen ineinander, wenn die räumliche Auflösung des Messapparates – zum Beispiel der verwendeten Kamera – nicht hoch genug ist. Dasselbe Prinzip findet sich auch in der Spektroskopie (Farbauflösung) oder bei sogenannten „time-of-flight“-Messungen (Zeitauflösung) wieder. Mit Methoden der Quanteninformationstheorie und der Quantenoptik können diese Auflösungsgrenzen allerdings umgangen und damit Objekte getrennt betrachtet werden, die mit Standardmethoden klassisch nicht aufzulösen sind.

ApresSF – Grundlagen für die Messtechnik von morgen erschließen

Im Projekt ApresSF „Application-ready superresolution in space and frequency” (Anwendungsbereite Superauflösung in Raum und Frequenz) sollen neue quanteninformationstheoretische Ansätze für die Realisierung von Messungen mit Auflösungen jenseits der klassischen Grenzen erforscht und im Experiment umgesetzt werden. Dabei arbeiten diese Ansätze am fundamentalen Quantenlimit, sind also beweisbar ideal für die jeweilige Messaufgabe geeignet. Die experimentellen Demonstrationen legen besonderes Augenmerk auf eine einfache und robuste Umsetzung, womit sie als Grundlage für eine spätere Technologieentwicklung dienen können.

Das Ziel des Projekts ist die ressourcensparende Demonstration von spektraler und zeitlicher Superauflösung am Quantenlimit auf extremen Skalenbereichen. Dabei werden eine spektrale Auflösung im Megahertzbereich sowie eine zeitliche Auflösung auf Femtosekunden-Zeitskalen angestrebt. Mehrere Parameter werden simultan bestimmt. Ein Beispiel hierfür wäre der Zeitabstand zweier unterschiedlich heller Lichtpulse, sowie deren Helligkeit – eine Parameterkombination, die speziell für lichtbasierten Abstandsmessungen von besonderem Interesse ist. Die Grundlage hierfür bildet eine Theorieplattform, welche es ermöglicht, ideale Messungen zu identifizieren und die von den Projektpartnern erbarbeitet wird. Die Universität Paderborn wird diese in maßgeschneiderten Experimenten umsetzen. Dazu werden neue Wellenleiterbauteile entwickelt, gefertigt, charakterisiert und schließlich in Experimenten eingesetzt. Als Resultat werden zudem neue Formen komprimierter Messungen entwickelt, welche die angestrebte Auflösung mit deutlich weniger Messereignissen erzielen als konventionelle Ansätze. Dies ist besonders bei lichtarmen Messungen, zum Beispiel in der Astronomie, von Vorteil.

Die Ergebnisse des Projekts legen die Grundlagen für neue, bessere Messapparate, welche das gesamte Potential der Quantenmechanik ausschöpfen und somit als integraler Bestandteil der zweiten Quantenrevolution eine wichtige Rolle einnehmen: Sie sind vielversprechende Kandidaten für zeitnahe Quantentechnologien, die im Alltag Einzug erhalten können.