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Quantum Photonic Packaging

Es waren die diskreten Energieniveaus von Atomen, die wesentlichen Erfindungen des letzten Jahrhunderts zugrunde lagen. Aktuell sind wir mitten in der zweite Quantenrevolution. Die Phänomene, die hinter den neusten Entwicklungen stecken, sind das quantenmechanische Superpositionsprinzip, die Quantenverschränkung und die Interferenz. Ersteres besagt, dass ein von den Einflüssen der Umgebung isoliertes Quantenteilchen sich gleichzeitig in einer beliebigen Kombination (Superposition) von Quantenzuständen befinden kann, sei es Energieniveau, Spin, Polarisation oder sogar die räumliche Position. Im Gegensatz zum Bit, dem Grundbaustein unserer digitalen Welt, der nur einen der zwei diskreten Werte 0 oder 1 annehmen kann, steht dem Quantenmechanischen-bit (Q-bit) eine unendlich große Zahl an Antworten auf die Frage nach seiner Identität zur Verfügung. Diese Vielfalt an Zustandsmöglichkeiten eines Q-bits wurde bereits in den 1980 Jahren als Grundlage für zukünftige Rechner und Rechenalgorithmen (Quantum Computing und Quantum Simulation) erkannt.

Sind zwei Q-bits miteinander verschränkt, liefert das Auslesen des Zustandes eines Q-bits Information über den Zustand seines Zwillings. Das funktioniert sofort, ohne Zeitverzögerung und sogar dann, wenn die zwei Q-bits räumlich getrennt sind. Dieses Phänomen wird auch Quanten-Teleportation genannt und bildet die Grundlage für sichere, nicht abhörbare Quantenkommunikationprotokolle wie auch quantenbasierte bildgebende Verfahren (Ghostimaging).

Schließlich können Q-bits miteinander und sogar mit sich selbst, interferieren, wie Wellen. Nach der Überlagerung von Teilwellen hängt die messbare Amplitude der Welle von der durch die Teilwellen eingesammelten quantenmechanischen Phase ab. Und diese reagiert extrem empfindlich auf Umwelteinflüsse wie z.B. elektrische oder magnetische Felder, den lokalen und momentanen Wert der Erdbeschleunigung oder ändert sich einfach mit der Zeit.  Darauf basierende Quantensensoren haben klassischen Sensoren gegenüber den Vorteil, dass die Messwerte nicht kalibriert werden müssen und lediglich von den absoluten Werten einigen Naturkonstanten abhängen.

Das Fraunhofer IZM hat einen Schwerpunkt auf innovativen Techniken zur photonischen Systemintegration und Miniaturisierung und wendet das auf die Herausforderungen in den Quantentechnologien (QT) an. Hinter QT steckt das enorme Potenzial, die technischen Limitierungen von heutigen Geräten zu überwinden. Dafür muss noch ein Sprung von komplizierten, empfindlichen und energiefressenden Laboraufbauten hin zu Geräten, die man reproduzierbar und kostengünstig herstellen und im Alltag zuverlässig nutzen kann, geschafft werden. Große Fortschritte auf diesem Feld wurden bereits in der Quantenkommunikation erzielt. Die Q-bits-Träger dort sind einzelne Photonen, für deren Übertragung und Manipulation bereits Infrastruktur, Protokolle und andere technische Lösungen aus der Telekommunikationsindustrie vorhanden sind. Quantensensing und –computing, dagegen basieren auf der Wechselwirkung zwischen Photonen und Atomen, Ionen, Molekülen bzw. anderen atomähnlichen Systemen wie z.B. Stickstoff-Fehlzentren (NV). Die größten Herausforderungen, um das Zusammenspiel zwischen Informationsträger und –speicher bzw. -emitter zu gestalten, sind:

  • Isolation von Störeinflüssen der Umgebung, z.B. durch kryogene Kühlung bzw. ultra-hoch-Vakuum (UHV),
  • Maximierung des Wechselwirkungsquerschnittes, z.B. durch gezielte Platzierung oder Fangen von einzelnen Quantenemitter in den Raumbereichen mit extrem gut kontrollierter Lichtintensität,
  • Miniaturisierung und skalierbare Herstellung der Systeme.

Hierzu, basierend auf langjährigen Erfahrungen mit dem Einsatz von Glasfasern und Dünngläsern in opto-elektronischen Aufbauten, arbeitet das Fraunhofer IZM an der Entwicklung von integrierten photonischen Systemen auf Glassubstraten. Glas bietet für die Quantentechnologie Vorteile gegenüber Halbleitern: i) es ist transparent für die in QT-benutzten Nahinfrarot-Wellenlängen, ii) optische Wellenleiter in Glas weisen viel kleinere Verluste als Si-basierte Wellenleiter auf, iii) anders als SiN reagiert Glas nicht destruktiv mit Alkaliatomen, iv) Glasoberflächen können extrem glatt poliert werden, was geringe Reststreuung von Licht sichert.

Insbesondere die folgenden Lösungsansätze auf dem Weg zu glasbasierte Quantenchips werden verfolgt:

  • Hermetische Verbindungen von Gläsern für die skalierbare Fertigung von passiven mikro-UHV-Kammern,
  • Metallisierung von Gläsern und Strukturierung von Durchkontaktierungen und Leiterbahnen zur Anbringung der elektrischen Funktionalität (DC und Hochfrequenz),
  • Integration optischer Wellenleiter direkt in die gläserne Wände der UHV-Kammer,
  • Design und Herstellung von „optischen Chips“ auf Glas (passive Wellenleiterstrukturen wie Splitter, Strahlkombinierer, Resonatoren)
  • Designgerechte Prozessierung für maßgeschneiderte Brechzahlprofile von optischen Wellenleitern für:
    • Wellenleiter im Glas für Vakuumdurchführungen,
    • Erzeugung von starken evaneszenten Feldern in der unmittelbaren Nähe von Quantenemittern (z.B. NV-Zentren),
    • Fangen der Neutralatome im evaneszenten Feld,
    • Auskopplung der geführten optischen Leistung in einen Freistrahl und Strahlformung,
  • Assemblierung von Mikrooptiken innerhalb von UHV-Kammern,
  • Integration von Lichtquellen samt Steuerelektronik auf die Glassubstrate und Einkopplung von Licht in die Wellenleiter
  • Hocheffiziente Kopplung optischer Glasfasern mit Hilfe innovativer Verbindungstechniken

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von Julian Schwietering