Integrierte Photonik für Quantentechnologien

Veröffentlichung in Nature Reviews Physics.

Ein internationales Team von namhaften Wissenschaftlern um den Paderborner Physiker Prof. Dr. Klaus Jöns hat einen umfassenden Überblick über das Potenzial, die globalen Perspektiven und die Hintergründe sowie Grenzen der integrierten Photonik zusammengestellt. Das Paper – eine Roadmap für integrierte photonische Schaltkreise für Quantentechnologien – wurde nun vom renommierten Fachjournal Nature Reviews Physics veröffentlicht. Die Übersichtsarbeit erläutert zugrundeliegende Technologien, stellt aktuelle Forschungsstände und zukünftige Anwendungsmöglichkeiten dar.

„Die photonischen Quantentechnologien haben in den vergangenen 20 Jahren zahleiche wichtige Meilensteine erreicht. Die Skalierbarkeit ist aber nach wie vor eine große Herausforderung, um die Ergebnisse aus den Laboren für Alltagsanwendungen tauglich zu machen. Anwendungen benötigen oft mehr als 1000 optische Komponenten, welche alle individuell optimiert werden müssen. Allerdings können die photonischen Quantentechnologien von den parallelen Entwicklungen der klassischen photonischen Integration profitieren“, erklärt Jöns. Laut der Wissenschaftler besteht weiterer Forschungsbedarf.

„Die integrierten Photonikplattformen, die viele Materialien, Komponentendesigns und Integrationsstrategien erfordern, bringen eine Vielzahl von Herausforderungen mit sich, insbesondere Signalverluste, die in der Quantenwelt nicht leicht kompensiert werden können“, so Jöns weiter. Die Autoren halten in ihrem Beitrag fest, dass der komplexe Innovationszyklus für integrierte photonische Quantentechnologien nicht nur Investitionen und die Lösung besonderer technologischer Herausforderungen erfordert, sondern auch die Entwicklung der notwendigen Infrastruktur und den weiteren Aufbau eines ausgereiften Ökosystems. Sie kommen zu dem Schluss, dass ein zunehmender Bedarf an Wissenschaftler*innen und Ingenieur*innen mit fundierten Kenntnissen der Quantenmechanik und ihrer technologischen Anwendungen besteht.

Bei der integrierten Quantenphotonik werden klassische photonische Technologien und Bauteile für Quantenanwendungen eingesetzt. Die Integration auf Chip-Ebene ist dabei entscheidend für die Skalierung und Umsetzung von Labordemonstratoren. Jöns erklärt: „Die Bemühungen im Bereich der integrierten Quantenphotonik sind breit gefächert und beinhalten die Entwicklung von Quantenphotonik-Schaltungen, die monolithisch, hybrid oder heterogen integriert sein können. In unserem Paper erörtern wir, welche Anwendungen in Zukunft möglich werden könnten, wenn die derzeitigen Hindernisse überwunden werden.“ Die Wissenschaftler geben darin einen Überblick über die Forschungslandschaft und diskutieren das Innovations- und Marktpotenzial. Ziel ist es, weitere Forschungsförderungen und Forschungsarbeiten anzuregen, indem sie nicht nur die wissenschaftlichen Fragestellungen, sondern auch die Herausforderungen im Zusammenhang mit der Entwicklung der erforderlichen Fertigungsinfrastruktur und der Lieferketten für die Markteinführung der Technologien abbilden.

Den Wissenschaftlern zufolge sei es dringend notwendig, großzügig in Bildung zu investieren, um die nächste Generation von Ingenieuren auf dem Gebiet der integrierten Photonik für Quantentechnologien auszubilden. Dazu Jöns: „Unabhängig von der Art der Technologie, die in kommerziellen Quantengeräten zum Einsatz kommen wird, sind die zugrunde liegenden Prinzipien der Quantenmechanik dieselben. Wir gehen davon aus, dass der Bedarf an Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern sowie an Ingenieurinnen und Ingenieuren mit fundierten Kenntnissen sowohl der Quantenmechanik als auch ihrer technologischen Anwendungen steigen wird. Investitionen in die Ausbildung der nächsten Generation werden dazu beitragen, die wissenschaftlichen und technologischen Grenzen zu überwinden.“

Das Paper ist zu lesen unter: https://rdcu.be/cDLza (free access) oder unter: https://www.nature.com/articles/s42254-021-00398-z

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Klaus Jöns, Department Physik der Universität Paderborn, Tel.: 05251/60-2486, E-Mail: klaus.joens@uni-paderborn.de

https://www.uni-paderborn.de/nachricht/97141