Das Thüringer Innovationszentrum für Quantenoptik und Sensorik (InQuoSens) an den Standorten Jena und Ilmenau beabsichtigt, die aktuelle Ausschreibung der Thüringer Aufbaubank (TAB) zur Förderung der Forschergruppe FOQUOS zu nutzen, um seine Position im Forschungs- und Innovationsfeld der Quantentechnologien strategisch zu stärken. Ausgehend von bestehenden Kompetenzen im Bereich bildgebender opto-elektronischer Systeme und Quantenoptik soll sich die Forschergruppe auf die Entwicklung von Basistechnologien und Demonstratoren für Anwendungen im Quantum Imaging in anwendungsrelevanten Spektralbereichen konzentrieren. Dieses Themengebiet wurde im Rahmen einer Vorstudie von InQuoSens als besonders aussichtsreich hinsichtlich seines Innovationspotenzials identifiziert. Zudem wurde das Forschungs- und Innovationsfeld der Quantentechnologien von Thüringer Vertretern aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik innerhalb des zuständigen Arbeitskreises der Regionalen Forschungs- und Innovationsstrategie für intelligente Spezialisierung für Thüringen („RIS3 Thüringen“)1 als eines der relevantesten Zukunftsfelder für die zukünftige Entwicklung des Freistaats identifiziert. Die Forschergruppe FOQUOS nimmt daher den durch die RIS3-Richtlinie definierten Strategieprozess direkt als Handlungsrichtlinie auf.
Zugleich ist das Vorhaben von außergewöhnlich hoher nationaler und internationaler Bedeutung, da kürzlich mit „Quantentechnologie – Grundlagen und Anwendungen“ (QUTEGA) und dem „Quantum Technologies Flagship“ (QUTE-F) sowohl auf Bundes- als auch auf EU-Ebene umfangreiche Förderinitiativen zum Zukunftsthema der Quantentechnologien aufgesetzt wurden. Thüringen wird durch die Arbeiten innerhalb von InQuoSens und FOQUOS befähigt, zukünftig substantielle Beiträge innerhalb dieser Initiativen leisten zu können. Nicht zuletzt wird die Forschergruppe durch die Einbettung in das akademische Umfeld der Universitäten Jena und Ilmenau, in dem Forschungsergebnisse der Quantenoptik und -technologie direkt in die akademische Ausbildung auf Master- und Doktorandenniveau eingehen werden, zu einer breiten und nachhaltigen Expertise in Form hochqualifizierter Nachwuchskräfte im Freistaat Thüringen beitragen.
Die im Vorhaben adressierten Anwendungen nutzen die spezifischen Quanteneigenschaften verschränkter Photonenpaare. Diese bilden einen gemeinsamen Quantenzustand, der es erlaubt, Informationen über z.B. den Ort eines der Photonen durch Vermessung des Partnerphotons zu gewinnen. Diese Eigenschaft kann genutzt werden, um optische Messverfahren mit räumlicher Auflösung zu realisieren, in denen eines der Photonen eines Paares mit dem zu vermessenden Objekt wechselwirkt, aber nur das andere Photon durch eine räumlich auflösende Kamera vermessen wird. Dieser Ghost-Imaging genannte Ansatz wurde bereits experimentell demonstriert [Mor15]. Das herausragende Anwendungspotential von auf dieser Methode basierenden Messverfahren resultiert aus der Möglichkeit, Photonenpaare zu verwenden, in denen die beiden Photonen wesentlich unterschiedliche Wellenlängen haben. Dabei werden die Eigenschaften des Objekts bei der Wellenlänge des mit dem Objekt interagierenden Photons vermessen, die Wellenlänge des zweiten Photons kann aber z.B. an die optimale Arbeitswellenlänge der verwendeten Kamera angepasst sein. Weiterhin hängt die erreichbare räumliche Auflösung auf komplexe Weise von den Wellenlängen beider Photonen ab und kann für bestimmte Fälle größer sein als für die Wellenlänge des mit dem Objekt interagierenden Photons in klassischen optischen Messverfahren möglich wäre. Diese Vorteile kommen besonders dann zum Tragen, wenn die Wellenlängen der einzelnen Photonen des verschränkten Photonenpaars weit auseinanderliegen.
Ziel der Forschergruppe FOQUOS ist es, die bisher nur in sehr grundlegenden Experimenten oder vereinfachten theoretischen Modellen gezeigten Potentiale von Ghost-Imaging für zwei spezifische hochrelevante Anwendungsfälle experimentell zu verifizieren sowie die für potentielle kommerzielle Anwendungen wichtigen Leistungsparameter und begrenzenden Faktoren dieser Abbildungsverfahren quantitativ zu bestimmen. Im Speziellen sollen die folgenden zwei Anwendungsfälle untersucht werden:
Bildgebung und abbildende Spektroskopie im mittleren Infrarot (MIR): Für den MIR Spektralbereich von 2 μm bis 10 μm Wellenlänge existieren nur sehr eingeschränkt empfindliche und hochauflösende Kameras. Durch Verwendung von Ghost-Imaging kann die Notwendigkeit für derartige Kameras umgangen werden. Hierzu werden Photonenpaare mit stark unterschiedlichen Wellenlängen genutzt, von denen eine im sichtbaren Spektralbereich (VIS), die andere im MIR liegt. Das MIR-Photon interagiert mit dem zu vermessenden Objekt und wird danach mit einem Einzeldetektor detektiert. Das VIS-Photon wird mit einer hochauflösenden Kamera vermessen, die in diesem Spektralbereich sehr effizient arbeitet und praktisch kein Rauschen aufweist. Dadurch können Bilder im MIR auch bei sehr geringen optischen Leistungen in hoher Qualität rekonstruiert werden. Durch Verwendung eines weiteren spontanen parametischen Abwärtskonversionsprozesses (engl. „spontaneous parametric down-conversion“, SPDC) kann sogar ganz auf MIR-Detektoren verzichtet werden, dazu wird das MIR Photon nach der Interaktion mit der Probe auch ins VIS konvertiert [Lem14].
Bildgebung mit extremen Auflösungen in kurzwelligen Spektralbereichen: Durch Verwendung von Licht im kurzwelligen Ultraviolett- oder Röntgenbereich (XUV) mit Wellenlängen von einigen 10 nm kann die Auflösung optischer Bildgebung stark gesteigert werden. Insbesondere biologische Proben sind jedoch für Bestrahlung mit XUV-Licht ungeeignet und werden im Abbildungsprozess durch die hohe Photonenenergie zerstört. Bei Verwendung von Ghost-Imaging mit Photonenpaaren aus XUV- und VIS-Photonen kann dieser optische Schaden verhindert werden, wenn die Probe nur mit den VIS-Photonen interagiert. Das sehr hohe Auflösungsvermögen der kurzwelligen XUV-Photonen kann trotzdem genutzt werden [Li15].
Für beide Ansätze sollen durch die Forschergruppe Demonstratorexperimente realisiert werden, an denen die Anwendungsrelevanz gezeigt werden kann. Dazu müssen zunächst grundlegende theoretische Voruntersuchungen durchgeführt werden, um optimale Parameter für die Demonstratoren zu identifizieren sowie den Einfluss aller experimentellen Randbedingungen auf die Messverfahren zu ermitteln. Weiterhin müssen zwei wichtige Basistechnologien weiterentwickelt werden. Dies sind zum einen optimierte Quellen für Photonenpaare in den adressierten Spektralbereichen sowie spezifische Ansteuer- und Auswerteelektroniken für die verwendeten Detektoren. Aufbauend auf diese Basistechnologien werden die erstellten Demonstratoren dann eine experimentelle Überprüfung aller für Anwendungen relevanten Parameter von Ghost-Imaging Systemen erlauben sowie die Abschätzung des noch notwendigen Entwicklungsaufwands für eine kommerzielle Verwertung ermöglichen.
