Miniaturisierte Lichtquellen für den industriellen Einsatz in Quantensensoren und Quanten-Imaging-Systemen (MiLiQuant) - Teilvorhaben: Technologie und Theorie für MIR Quanten-Imaging Systeme

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

Quantentechnologie für Wirtschaft und Gesellschaft nutzbar machen

Quantenmechanische Phänomene wie Überlagerungszustände oder Verschränkung sind inzwischen wissenschaftlich gut erforscht. In komplexen Laborexperimenten lässt sich heute demonstrieren, dass sich solche Effekte nutzen lassen, um beispielsweise hochempfindliche Sensoren oder Bildgebungssysteme zu realisieren. Um solche Ansätze jedoch technologisch nutzbar zu machen, müssen die verfügbaren Laboraufbauten in industriell verwendbare Systeme überführt werden. Hier bedarf es nicht nur Forschungsarbeiten zu entsprechenden hochintegrierten und robusten Komponenten, sondern auch innovativer Ansätze im Bereich der automatisierten Aufbau- und Verbindungstechnik.

Kompakte Strahlquellen für Anwendungen von Medizin bis Mobilität

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 Erarbeitung dieser Basistechnologien erfolgt dabei passgenau im Hinblick auf konkrete Anwendungen aus den Bereichen Quantensensorik und Quanten-Imaging:

Die adressierten Anwendungen reichen dabei vom Einsatz diamantbasierter Sensoren in der medizinischen Diagnostik (intraoperativer Nachweis von Hirn- und Nervenaktivität) über Sensoren für das autonome Fahren (hochgenaue Gyroskope) bis hin zu quantenbasierten Abbildungsverfahren im Infrarotbereich (strahlungsreduzierte Mikroskopie an lebenden Zellen).

Der Einsatz additiv gefertigter Kunststoffoptiken und die Weiterentwicklung der Aufbau- und Verbindungstechnik im Hinblick auf die Erfordernisse der Quantentechnologie sollen dabei das Potenzial für eine reproduzierbare Fertigung und eine spätere Industrietauglichkeit im Hinblick auf Qualität, Miniaturisierung und Kostenoptimierung gewährleisten.

Durch das interdisziplinäre Konsortium aus Wissenschaft und Wirtschaft wird ein nationales Forschungsnetzwerk geschaffen, das den nahtlosen Wissenstransfer aus der Wissenschaft in die industrielle Anwendung ermöglicht. Die maßgeschneiderte Erarbeitung der Strahlquellen und Anwendungsdemonstratoren in enger Zusammenarbeit zwischen den Industrie- und Forschungspartnern ebnet dabei den Weg für eine anschließende Vorserien-Entwicklung von Quantensensoren und neuartigen Abbildungsverfahren.