Forschungthemen
Quantentechnologien der zweiten Generation können in vielen Bereichen eingesetzt werden, wo sie die Verbesserung bekannter Technologien ermöglichen und grundlegend neue Möglichkeiten eröffnen. Beispiele sind: Die Quantenkommunikation ermöglicht es, die Kommunikation auch gegen zukünftige, noch unbekannte Angriffe abzusichern; die gesteigerte Leistungsfähigkeit von Quantencomputern durch die Parallelisierung von Berechnungen rückt die Lösung bisher ungelöster Probleme in greifbare Nähe; Quantensimulatoren ermöglichen es, das Verhalten komplexer Quantensysteme mit Hilfe anderer, hoch kontrollierter Quantensysteme zu simulieren. Komponenten der Quantentechnologie wie kohärente optische Speicher versprechen neue neuromorphe Computerarchitekturen für künstliche Intelligenz und maschinelle Lernfähigkeit.
Unsere wissenschaftliche Mission am DLR und der TU Berlin ist es, die Quanteninformationstechnologien der zweiten Generation voranzutreiben. Das Forschungsinteresse der FITS-Gruppe konzentriert sich auf die Grundlagen der Quantenkommunikation und optische postdigitale Computer. Im Bereich der Quantenkommunikation sind wir an Quanten-Repeater-Netzwerken interessiert. Im Bereich der postdigitalen Computer erforschen wir optische neuronale Netze für maschinelles Lernen und photonische Quantencomputerarchitekturen.
Alle diese Anwendungen basieren zum einen auf Einzelphotonenquellen und zum anderen auf Quantenspeichern als Schlüsselkomponenten. Für beide, vor allem aber für letztere, besteht noch ein erheblicher Forschungsbedarf, bevor "echte" Anwendungen entwickelt werden können.
Quantenspeicher
© Janik Wolters
Photonische Quantenspeicher sind Vorrichtungen, die einzelne Photonen quantenmechanich kohärent speichern können. Sie sind eine bisher fehlende Schlüsselkomponenten für die zweite Quantenrevolution und ermöglichen eine Fülle neuer Anwendungen. Beispielsweise versprechen Quantennetzwerke nachweisbare Sicherheit in der Kommunikation und auch die Möglichkeit, Quantencomputer und Simulatoren für Berechnungen auf verteilten Maschinen zu verbinden.
In unsere Forschung konzentrieren wir uns auf Quantenspeicher, die in Alkalidampf bei Raumtemperatur implementiert sind, eine robuste Plattform, die nicht nur für Anwendungen auf dem Boden, sondern auch auf Satelliten geeignet ist.
Einzelphotonenquellen
Einzelphotonenquellen sind Bauteile, die jeweils nur ein einziges Photon aussenden. Als solche sind sie eine Schlüsselressource für alle photonischen Quantentechnologien. Idealerweise sollte eine Einzelphotonenquelle (i) nur ein Photon zur gleichen Zeit emittieren, (ii) bei Bedarf, (iii) mit hoher Erzeugungsrate und (iv) in einem wohldefinierten Zustand in einem einzigen räumlichen, zeitlichen und spektralen Modus. Darüber hinaus, und das ist sehr wichtig, (v) sollten verschiedene Quellen in der Lage sein, identische Photonen in reproduzierbarer Weise zu erzeugen. Trotz enormer Forschungsanstrengungen gibt es eine solche ideale Quelle noch nicht.
In unserer Forschung konzentrieren wir uns auf die fortschrittlichsten Einzelphotonenquellen, die es heute gibt, nämlich atomähnliche Festkörpersysteme, z. B. Halbleiter-Quantenpunkte und Quellen, die auf spontaner parametrischer Abwärtskonversion (SPDC) basieren.