Profilbereich Optolelektronik und Photonik
Im Profilbereich Optoelektronik und Photonik werden die physikalischen Grundlagen und Anwendungen optischer Technologien erforscht.
Dabei kommen innovative Konzepte aus der Quantenoptik, der koh?renten Optik, der ultraschnellen Nanooptik und Optoelektronik zum Einsatz. Das Ziel der koordinierten Forschung ist die Etablierung neuartiger Informationstechnologien, die auf der nichtlinearen Licht-Materie-Wechselwirkung und auf Quanteneffekten basieren.
Im Rahmen der experimentellen Forschungsarbeiten werden neue Materialien entwickelt und funktionelle Nanostrukturen sowie photonische Quantenbauelemente hergestellt und evaluiert. Die theoretischen Arbeiten erstrecken sich von der atomistischen Materialbeschreibung über die Quantenoptik bis hin zu Protokollen für die Quanteninformationsverarbeitung.
Der Bereich der Anwendungen wird dominiert von der Forschung an innovativer Lichttechnik für den Fahrzeugbereich. Gemeinsam mit dem L-Lab erfolgt eine industrienahe Entwicklung von Prototypen und Technologiedemonstratoren.
Die interdisziplin?re Kooperation im Profilbereich ?Optoelektronik und Photonik“ wird durch den SFB-Transregio TRR 142 gef?rdert. Unter den beteiligten Wissenschaftler*innen befinden sich Leibniz-Preis- und ERC-Grant-Tr?ger.
Kontakt: Prof. Dr. Thomas Zentgraf
Beteiligte Fachdisziplinen: Physik, Elektrotechnik, Chemie, Mathematik, Informatik
Ausgw?hlte Forschungsprojekte
Erst wenn ausreichend viele Quantenteilchen verschaltet werden, k?nnen Quantencomputer Aufgaben bew?ltigen, die für klassische Rechner unl?sbar sind. Hier liegt – neben weiteren Alleinstellungsmerkmalen – ein wesentlicher Vorteil photonischer Plattformen: Integrierte Architekturen und ausgefeilte Fertigungsverfahren bieten ein enormes Skalierungspotenzial. Ziel des Verbundprojektes PhoQuant ist die Entwicklung eines rein photonischen Quantencomputers, basierend auf Gaussian Boson Sampling (GBS), mit mindestens 20 (nach 2,5 Jahren) bzw. 100 (nach 5 Jahren) individuell ansteuerbaren Kan?len. Neben der Entwicklung eines programmierbaren GBS QC Demonstrators mit anwendungsrelevanten Algorithmen steht die Implementierung eines Benutzer Interfaces als Schnittstelle für industrielle und akademische Anwender im Vordergrund.
Im Teilvorhaben Quantencomputing Testplattform (PhoQuant-QCTest) werden essenzielle Komponenten, u. a. eine optimierte integrierte Quetschlichtquelle und Funktionalit?ten wie koh?rente Verschiebungen und Homodyndetektion, und Algorithmen für den Demonstrator entwickelt. Ferner wird eine experimentelle Testplattform zur Verfügung gestellt, auf der die entwickelten Komponenten und Algorithmen unter realistischen Bedingungen getestet werden k?nnen, bevor sie in den Demonstrator überführt werden. Auch die von Projektpartnern entwickelten Bauteile auf Basis des neuen Materialsystems Dünnschichtlithiumnobiat (engl.: lithium niobate on insulator, LNOI) werden mit Hilfe der Testplattform evaluiert. Neue und bekannte GBS QC Algorithmen werden mittels informationstheoretischer Komplexit?tsuntersuchungen verifiziert.
360直播吧ben Arbeitsgruppen des Instituts für Photonische Quantensysteme (PhoQS) mit komplement?ren Expertisen führen das Teilprojekt PhoQuant-QCTest durch.
Das Verbundprojekt PhoQuant wird über die Laufzeit vom 01.01.2022 bis 31.12.2026 gef?rdert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und vereint die Fachkenntnisse von 14 Partnern aus Akademie und Industrie.
Weitere Informationen finden 360直播吧 hier.
Kontakt: Prof. Dr. Christine Silberhorn
Quantentechnologien versprechen eine immense transformative Wirkung durch die Nutzung von grundlegenden quantenmechanischen Effekten für technologische Anwendungen. Photonen sind das einzige zuverl?ssige Qubit für die ?bertragung von Quanteninformationen und damit eine wesentliche Ressource für Quantentechnologien. Die Quantenphotonik wird jedoch nur dann die Erwartungen an eine bahnbrechende Technologie erfüllen, wenn sie auf skalierbare Weise integriert werden kann. Das Projekt wird zeigen, dass die Dünnfilm-Lithiumniobat-auf-Isolator-Plattform alle Bausteine der Quantenphotonik gleichzeitig auf einer einzigen Plattform verbinden kann und somit zu einer vollst?ndig integrierten quantenphotonischen Schaltung führt. Das Ergebnis wird die erste kompatible Integrationsplattform sein, die Halbleiter-Quantenemitter, Quantenspeicher auf der Basis von Seltenen Erden, kryogene Elektronik und supraleitende Einzelphotonendetektoren zusammen mit den herausragenden Eigenschaften von CMOS-kompatiblem Lithiumniobat auf Isolator vereint: verlustarme Schaltungen und schnelle Modulatoren. LiNQs wird den Grundstein dafür legen, dass Europa in einer künftigen, von der Photonik angetriebenen Quantentechnologie-Industrie eine Spitzenposition einnehmen wird.
Dieses Projekt wird vom Europ?ischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europ?ischen Union (F?rdervereinbarung Nr. 101042672) gef?rdert.
Kontakt: Prof. Dr. Klaus J?ns
Weitere Informationen: https://cordis.europa.eu/project/rcn/208461/factsheet/en
Supraleitende Detektoren sind der Goldstandard der Messinstrumente für die Messung einzelner Photonen. 360直播吧 bieten unangefochtene Effizienzen, Signal-Rausch-Verh?ltnisse und zeitliche Genauigkeiten. Als einzelne Bestandteile haben diese Detektoren das Feld der Quantenoptik bereits revolutioniert und werden nun für die Fernerkundung, Kommunikation im Weltraum und sogar bei der Erforschung dunkler Materie verwendet.
Ein Ziel dieser Technologie ist der Bau gr??erer Arrays dieser Detektoren zum Einsatz in der Bildgebung oder für gro?skalige Photonenz?hlsysteme. Der Schlüssel zur Ausnutzung der Leistungsf?higkeit dieser Detektoren ist die Optimierung der zugrunde liegenden Quanten-Antwortfunktion. Dies wird durch die Charakterisierung und Entwicklung der Detektoren mittels eines Prozesses namens Quanten-Detektortomografie erreicht. Das Ziel von QuESADILLA ist die Umsetzung dieser Charakterisierung und die Optimierung verschiedener Freiheitsgrade für die Arrays supraleitender Detektoren. Auf diese Weise k?nnen die Detektoren nicht nur Photonen z?hlen, sondern bieten zudem spektrale, r?umliche und zeitliche Informationen über den gemessenen optischen Zustand. Dieser Ansatz findet Anwendung in der Erzeugung von Hochkontrastbildern, dem spektral breitbandigen optischen Abtasten im Einzelphotonenbereich und der Photonenz?hlung im hohen Dynamikumfang.
?ber das Projekt werden drei Wissenschaftler für die Entwicklung der Fabrikation und Charakterisierungswerkzeuge zum Bau der Arrays supraleitender Detektoren für fünf Jahre angestellt und ausgestattet.
Dieses Projekt wird vom Europ?ischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europ?ischen Union (F?rdervereinbarung Nr. 101042399) gef?rdert.
Kontakt: Prof. Dr. Tim Bartley
Weitere Informationen: https://cordis.europa.eu/project/rcn/208461/factsheet/en
Das Verst?ndnis nichtlinearer optischer Eigenschaften von zweidimensionalen Halbleitern und ihrer Heterostrukturen ist für ein erfolgreiches Design und die Herstellung von nanophotonischen Bauteilen unerl?sslich. Insbesondere für rein photonische Elemente, die nur mit Licht funktionieren, müssen nichtlineare Eigenschaften pr?zise gesteuert und mit ausgefeilten Funktionalit?ten kombiniert werden. Solche Funktionalit?ten k?nnen durch nanostrukturierte Materialien entstehen, die auch als Meta-Oberfl?chen oder Metamaterialien bezeichnet werden. Die durch Metamaterialien induzierten lokalen elektromagnetischen Felder k?nnen einige Gr??enordnungen über dem des externen Beleuchtungsfelds liegen. Das vom ERC durch den Consolidator Grant ?NONLINMAT“ finanzierte Projekt konzentriert sich auf die Kombination der deutlich verst?rkten elektromagnetischen Felder aus nanostrukturierten Metamaterialien mit Halbleiterquantenstrukturen in Galliumnitrid und atomar dünnen ?bergangsmetalldichalkogeniden, wie Monolagen aus Wolfram- oder Hafnium -Disulfid (auch als 2D-Material bezeichnet).
Im Unterschied zu den herk?mmlichen halbleitenden Volumen- und Quasi-2D-Materialien, verbessern die Einschr?nkung der Quantenzust?nde und die reduzierte dielektrische Abschirmung in 2D-Halbleitern die Wechselwirkungen zwischen den Quasiteilchen und führen zu hohen Exziton-Bindungsenergien, bei denen Vielk?rpereffekte berücksichtigt werden müssen. In einem solchen System von 2D-Halbleitern werden Untersuchungen der Vielteilchenphysik zu einem sehr spannenden Forschungsfeld, um die Grundlagen der Quantenmechanik zu erforschen. Es k?nnen insbesondere unkonventionelle exzitonische Quasiteilchen hoher Ordnung wie Trionen und Biexzitonen existieren, und die verst?rkten elektromagnetischen Felder der Laseranregung k?nnen zur Beobachtung dieser Quasipartikel beitragen und die zugrunde liegenden Vielteilcheneffekte aufdecken. Andererseits k?nnen nichtlinear-optische Eigenschaften von nanostrukturierten Metamaterialien durch atomar dünne 2D-Materialien moduliert werden. Die lokalisierten Oberfl?chenresonanzen von Nanostrukturen treten dabei an den Metall-2D-Halbleiter-Grenzfl?chen auf. Darüber hinaus kann durch Anpassen der Frequenzb?nder der Nanostrukturen, die mit den Emissionsb?ndern des 2D-Materials überlappen, die resonante Kopplung von Emissionsb?ndern zu einer neuen Physik führen, wie etwa speziell polarisierten Oberfl?chenplasmonen.
Das Projekt untersucht den Einfluss selektiver Kopplungsmechanismen basierend auf Symmetrieaspekten der Nanostrukturen und der Gittersymmetrie der 2D-Materialien. Der Fokus liegt dabei auf der Verbesserung nichtlinearer optischer Effekte und der Kontrolle der Eigenschaften mit reinem Licht. Die Ergebnisse werden zu einem tieferen Verst?ndnis der Kopplungsmechanismen zwischen künstlich hergestellten Nanostrukturen und natürlichen Materialsystemen führen. Andererseits kann die verbesserte Wechselwirkung zwischen Licht und Materie zu kleineren und effizienteren rein optischen Ger?ten für zukünftige Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung führen.
Dieses Projekt wird vom Europ?ischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europ?ischen Union (F?rdervereinbarung Nr. 724306) gef?rdert.
Research contact: Prof. Dr. Thomas Zentgraf
Further information: https://cordis.europa.eu/project/rcn/208461/factsheet/en
Eine der h?chsten Auszeichnung für Forscher auf internationalem Top-Niveau ist der “ERC Consolidator grant”. Diesen verleiht der Europ?ische Forschungsrat an herausragende Wissenschaftler am Beginn ihrer Karriere, die sich bereits mit zukunftsweisenden Projekten einen Namen gemacht haben.
Christine Silberhorn, Leiterin der Arbeitsgruppe ?Integrierte Quantenoptik“ in Paderborn, erhielt 2016 diese Auszeichnung für ihr Projekt “ Quantum Particles on Programmable Complex Reconfigurable Networks”, kurz “QuPoPCoRN”, das im Juli 2017 startete. Seitdem erforscht sie mit ihren Mitarbeitern die Dynamik und Wechselwirkung von Quantenteilchen in gro?en Netzwerken, die sowohl in dem Bereich der theoretischen Konzeption als auch in der experimentellen Umsetzung sehr herausfordernd sind.
Diese Forschung erm?glicht das Verst?ndnis der zugrundeliegenden Strukturen von einer Vielzahl an physikalischen Ph?nomenen. Aus diesem Grund ist ein flexibler, experimentell zug?nglicher Aufbau von N?ten mit dem Potential, das Zusammenwirken von St?rungen, Koh?renz und nicht-klassischen Korrelationen zu studieren. Deswegen entwickeln die Wissenschaftler optische zeitlich-gemultiplexte Netzwerke, zusammen mit zugeschnittenen Vielphotonenzust?nden als innovative Plattform für gro?e Quantennetzwerke. Mit diesem Ansatz k?nnen sie die Dynamik von mehreren Quantenteilchen auf komplexen Strukturen untersuchen, insbesondere im Hinblick auf die Rolle von bosonischer Interferenz, Korrelationen und Verschr?nkung. Um so gro?e Netzwerkstrukturen aufzubauen, bedarf es innovative Strategien zur Verminderung von Dekoh?renzeffekten: Programmierbare St?rungen, topologisch geschützte Quantenzust?nde und stetige Distillation von Verschr?nkungseigenschaften sind dazu drei Ans?tze der Wissenschaftler. Die Ziele in QuPoPCoRN umfassen das pr?zise Verst?ndnis der Rolle von Viel-Teilchen Quantenphysik in gro?en, komplexen Strukturen unter zu Hilfenahme von zeitlich gemultiplexten Netzwerken.
Dieses Projekt wurde vom Europ?ischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europ?ischen Union (F?rdervereinbarung Nr. 725366 ) gef?rdert.
Wissenschaftliche Ansprechpartnerin: Prof. Dr. Christine Silberhorn
Das Projekt ?UNIQORN“ (Affordable Quantum Communication for Everyone) startete Ende 2018 im Rahmen der europ?ischen Forschungsinitiative ?Quantum Flagship“. Ziel des drei Jahre laufenden Projekts ist es, photonische Technologien in der Quantenkommunikation zu nutzen. Die optischen Systeme, die derzeit Aufbauten in der Gr??enordnung von Metern ben?tigen, sollen in Zukunft auf millimetergro?en Chips untergebracht werden. Neben der Reduzierung der Gr??e und damit auch der Kosten werden die Systeme robuster und lassen sich besser reproduzieren.
?UNIQORN“ ist ein Verbundprojekt mit Partnern aus Industrie und von Universit?ten. Insgesamt 17 Gruppen aus verschiedenen europ?ischen L?ndern arbeiten unter der Koordination des ?sterreichischen ?Austrian Institute of Technology“ zusammen. In Paderborn sollen spezielle nichtlineare integriert optische Bauelement (z.B. Photonenpaar-Quellen) entwickelt werden, die ma?geblich zur angestrebten Miniaturisierung beitragen. Diese Bauelemente werden dann von anderen Projektpartnern zu hybriden Funktionseinheiten kombiniert um dann mit ausgew?hlten Quantenanwendungen die Funktionalit?t in realen Kommunikationsnetzen zu demonstrieren.
Das UNIQORN-Projekt wird im Rahmen der F?rdervereinbarung Nr. 82047474 aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm der Europ?ischen Union Horizon 2020 gef?rdert.
Wissenschaftliche Ansprechpartnerin: Prof. Dr. Christine Silberhorn
Weitere Informationen: https://quantum-uniqorn.eu/
Datensicherheit ist für unsere moderne Gesellschaft von entscheidender Bedeutung. Wegen der Bedrohung von pers?nlichen Daten und Identit?tsbetrug bis hin zu Cyber-Angriffen, die die Integrit?t souver?ner Nationen bedrohen, war der Bedarf an sicherer Kommunikation und Datenverarbeitung noch nie so gro? wie jetzt. In der Theorie würden Quantennetzwerke diese Probleme adressieren, da sie für kryptografische Kommunikationsaufgaben nachweislich sicher sind. Der n?chste Schritt ist es jetzt physikalische Quantennetzwerke zu bauen, die eine solche sichere Kommunikation in der Praxis implementieren. PhoQSNet, unser Antrag im Rahmen der Gro?ger?te Initiative, wird die Infrastruktur und Technologie bereitstellen, die für den Aufbau eines Netzwerkes für photonische Quantensysteme im st?dtischen Ma?stab erforderlich sind.
Das ehrgeizige Ziel von PhoQSNet ist es, die Infrastruktur für ein Quantennetzwerk mit drei Knoten bereitzustellen. Dies erm?glicht, verschiedene Konfigurationen der Quantenkommunikationstechnologie zu erforschen, einschlie?lich Punkt-zu-Punkt-Protokollen, Quantenrelais und Quanten-Repeater-Knoten. Dabei werden wir Protokolle erforschen, die sowohl eine diskrete als auch eine kontinuierliche Kodierung der Quanteninformation verwenden.
Das physikalische Fasernetz wird die Geb?ude A und P auf dem Hauptcampus der Universit?t Paderborn mit dem Heinz Nixdorf Institut, das 3,6 km entfernt liegt, verbinden. Alle drei Standorte werden mit kommerziellen dunklen Glasfasern des st?dtischen Standard-Glasfasernetz verbunden. Jeder der drei Knoten beherbergt eine Quanten-Sender-und-Empf?nger-Station, die mit komplement?ren Komponenten ausgestattet ist, um verschiedene Quantenkommunikationsprotokolle zu realisieren: Quellen und Detektoren für Quantenlicht und Instrumente zur Charakterisierung von Quanten- und klassischen Kan?len. Die modulare Struktur von PhoQSNet gew?hrleistet eine zukünftige Kompatibilit?t mit neuartigen faserbasierten Quantenkommunikationtechnologien. Unser vorgestelltes Testnetzwerk ist daher ein entscheidender Wegbereiter für Quantenkommunikationsanwendungen.
Unsere Initiative stützt sich auf eine etablierte Zusammenarbeit zwischen Elektrotechnik, Physik, Mathematik und Informatik, die in dem kürzlich gegründeten Institut für Photonische Quantensysteme an der Universit?t Paderborn zusammengeführt wurde. Damit verfügt unserer Initiative über Expertise in allen relevanten Bereichen des Vorhabens, sowie über eine etablierte Dachorganisation für ihre Umsetzung und langfristige Nachhaltigkeit. Diese einzigartige interdisziplin?re Forschungsumgebung mit Spezialisten für Quantenquellen und -detektoren, Hochgeschwindigkeitskommunikationssysteme sowie Codes und Kryptographie erm?glicht es uns nicht nur, bestehende interdisziplin?re Projekte umzusetzen, sondern auch bahnbrechende zukünftige Forschungsrichtungen zu etablieren und das Fortbestehen von PhoQSNet weit über die erste F?rderphase hinaus für die kommenden Jahre zu sichern.
Aus dem PhoQS sind ma?geblich die Arbeitsgruppen Hybrid Quantum Photonic Devices, Integrated Quantum Optics, Mesoskopische Quantenoptik und Schaltungstechnik an PhoQSNet beteiligt. Das Projekt wird seit 2022 über einen Zeitraum von fünf Jahren von der DFG gef?rdert. Weitere Informationen erhalten 360直播吧 auf der Projektseite der DFG.
Kontakt: Prof. Dr. Klaus J?ns
Das Projekt ?Sub-Poissonian Photon Gun by Coherent Diffusive Photonics“, kurz PhoG, ist eines von 20 Projekten der ersten F?rderphase des europ?ischen ?Quantum Flagship“, einer der gr??ten und ehrgeizigsten Forschungsinitiativen der Europ?ischen Union.
Neben der Paderborner Arbeitsgruppe ?Integrierte Quantenoptik“ von Frau Professor Silberhorn umfasst das Konsortium vier weitere Partner aus Gro?britannien, Wei?russland, und der Schweiz. Unter der Leitung von Natalia Korolkova der Universit?t St. Andrews werden die Partner deterministische und kompakte Quellen für nicht-klassische Lichtzust?nde, sogenannte Photon Guns, entwickeln, indem sie Verluste und Kopplungen in integrierten Wellenleiternetzwerken ma?schneidern. Diese Photon Guns werden dann in verschiedenen Quantentechnologien zum Einsatz kommen, z.B. um die Frequenzstabilit?t von Atomuhren zu verbessern. Die Paderborner Gruppe wird sich hierbei vor allem mit der Charakterisierung der nicht-klassischen Lichtzust?nde befassen.
Das PhoG-Projekt wird im Rahmen der F?rdervereinbarung Nr. 820365 aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm der Europ?ischen Union Horizon 2020 gef?rdert.
Wissenschaftliche Ansprechpartnerin: Prof. Dr. Christine Silberhorn
Weitere Informationen: https://www.st-andrews.ac.uk/~phog/
Durch den weltweit exponentiell wachsenden Datentransfer steigt der Bedarf an High-Speed Serverkommunikation in Datencentern. Anbieter von Cloud- und Streamingdiensten wie beispielsweise Google, Apple oder Amazon ben?tigen effiziente Server-Kommunikation mit hohen Datenraten. Um effizienten High-Speed Datentransfer zu erm?glichen werden innovative Transceiver Konzepte ben?tigt. Siliziumphotonik erm?glicht hohe Kosten- und Verlustleistungseffizienz durch die Integration von optischen und elektronischen Komponenten gemeinsam in einem Siliziumchip. Allerdings limitiert die geringe Bandbreite elektrooptischer Modulatoren derzeit die Gesamtgeschwindigkeit von optischen Sendern und Empf?ngern in Silizium-Technologie.
Das NyPhE Projekt befasst sich mit der Entwicklung einer innovativen Sender- und Empf?ngerstruktur, die trotz geringer Bandbreiten der elektrooptischen Modulatoren hohe Datenraten von bis zu 400 Gbit/s erm?glicht. Dabei bestimmt die Geschwindigkeit des Modulators ma?geblich die Datenrate des Gesamtsystems. Durch die Verwendung von optischen Nyquist-Pulsen k?nnen jedoch mehrere Modulatoren in verschiedenen Kan?len verwendet und somit die Gesamtgeschwindigkeit erh?ht werden. Das rechteckige Frequenzspektrum der optischen Nyquist-Pulse kann durch einen Frequenzkamm approximiert und mittels eines CW-Lasers und eines Mach-Zehnder-Modulators generiert werden (siehe Abb. 2a). Da sich aufeinanderfolgende Nyquist-Pulse durch ihr charakteristisches Frequenzspektrum untereinander nicht beeinflussen, k?nnen mehrere Pulse auf verschiedenen Kan?len sequentiell moduliert (siehe Abb. 2b) und anschlie?end ohne Informationsverlust addiert werden (siehe Abb. 2c). Dadurch wird die Gesamtbandbreite des Systems erh?ht und die Datenrate um die Anzahl der Kan?le vervielfacht. Empf?ngerseitig kann das Signal ebenfalls sequentiell auf mehreren Kan?len verarbeitet werden. Dazu wird das optische Signal aufgeteilt, mittels elektrooptischer Modulatoren und Photodioden in elektronische Signale umgewandelt, verst?rkt und ausgegeben.
Das Projekt wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung finanziert. Partner des Projekts sind die Technische Universit?t Dresden, Sicoya GmbH, die Technische Universit?t Braunschweig und die Leoni AG.
Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Christoph Scheytt
Weitere Informationen: https://www.hni.uni-paderborn.de/sct/projekte/nyphe/
Im Zentrum des neuen Potentialbereichs "Photonisches Quantencomputing PhoQC" an der Universit?t Paderborn steht die Frage nach der Umsetzung wichtiger Anwendungen des Quantencomputings basierend auf photonischen Quantensystemen. Perspektivisch soll ein national und international sichtbares und führendes Forschungszentrum im Bereich Photonisches Quantencomputing geschaffen werden. An der Initiative beteiligt sind Wissenschaftler*innen aus den Fakult?ten für Naturwissenschaften und für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik, insbesondere federführend aus dem Department Physik, dem Institut der Informatik und der Elektrotechnik sowie aus den beiden Bereichen der angewandten und reinen Mathematik. Die ambitionierte Zielstellung dieses Projekts l?sst sich nur in einem langfristig angelegten und innovativen interdisziplin?ren Ansatz erfolgreich verfolgen, der die relevanten Disziplinen in allen Forschungs- und Entwicklungsphasen vereint. Hierbei ist auch der Aufbau eines tragf?higen Konzepts zur F?rderung des wissenschaftlichen Nachwuchses von besonderer Bedeutung, um Quantentechnologien langfristig in der Gesellschaft zu verankern und exzellente Fachkr?fte für die Wirtschaft der Zukunft auszubilden. Durch den gezielten Zusammenschluss komplement?rer Kernkompetenzen wird das zukunftsweisende Forschungsfeld des photonischen Quantenrechnens erschlossen und neue Synergien weit jenseits der Kapazit?ten der einzelnen Felder geschaffen und genutzt. Von besonderer Bedeutung in der deutschen Forschungslandschaft ist hierbei die Etablierung neuer Strukturen, die das Thema aus der Grundlagenforschung in der Physik in die Forschungsaktivit?ten der Ingenieurwissenschaften übertragen. Der Potentialbereich Photonisches Quantencomputing bündelt Expertisen der Universit?t Paderborn in den Profilbereichen ?Intelligente Technische Systeme“ und ?Optoelektronik und Photonik“. Die zus?tzlich mit diesem Vorhaben geschaffenen Strukturen werden dazu beitragen, beide Profilbereiche fachlich weiter zu st?rken und Nachwuchsf?rderung und Gleichstellung für diesen Bereich, in dem bislang Frauen weit unterrepr?sentiert sind, weiter voranzubringen. Dieses Vorhaben geht dabei deutlich über die existierenden Profilbereiche hinaus, indem es das neue, vision?re Themenfeld des Photonischen Quantencomputings er?ffnet und dazu Bereiche aus Natur- und Ingenieurswissenschaften sowie Informatik und Mathematik zusammenführt. Mit dem Forschungszentrum Photonisches Quantencomputing wird in NRW die Forschungslandschaft im Bereich der Quantentechnologien und des Quantencomputings signifikant erweitert und gest?rkt und wichtige universit?re Strukturen für die interdisziplin?re Ausbildung von Hochschulabsolvent *innen, die für das Zukunftsfeld Quantentechnologien passgenaue Expertisen haben, aufgebaut.
Das Projekt wird über die Laufzeit vom 01.11.2021 bis 31.10.2024 vom Ministerium für Kultur und Wissenschaft des Landes Nordrhein-Westfalen gef?rdert.
Kontakt: Prof. Dr. Christine Silberhorn
Das Hauptziel dieses Projekts ist die Integrierung und Ausnutzung von hocheffizienten, supraleitenden Detektoren auf nichtlinearen Wellenleitern in Lithiumniobat, um neue Funktionalit?ten in der Quantenoptik zu erm?glichen. Die Herausforderung besteht darin, die Vorteile von Lithiumniobat zu bewahren, w?hrend der Nutzung von tiefen Temperaturen. Erste Schritte in diese Richtung haben wir bereits gezeigt. Neu an diesem Vorgehen ist die Verbindung dieser Komponenten und das Potenzial dieses Verfahrens zu verwirklichen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden wir die weltführende Lithiumniobattechnologie an der Universit?t Paderborn zusammen mit der supraleitenden Detektortechnologie vom National Institute for Standards and Technology (NIST), Boulder, Colorado vereinen. Wir planen, fünf ma?geschneiderte Komponenten zu demonstrieren, die die Vielfalt unserer modularen Vorgehensweise beispielhaft zeigen. Unter anderem geht es darum, die Eigenschaften des Lithiumniobatwellenleitersubstrats an den supraleitenden, dünnen Schichten anzupassen sowie die nichtlinearen Eigenschaften des Lithiumniobats bei tiefen Temperaturen zu optimieren.
Diese Komponenten werden in der Zukunft als Teile eines gro?en Quantenkommunikationssystems betrachtet, die als flexible und notwendige Verknüpfungen zwischen anderen Komponenten, die auf anderen Plattformen basieren, fungieren. Um Quantentechnologie und insbesondere die Quantenkommunikation zu entfalten, ist eine modulare Vorgehensweise sinnvoll, sodass einzelne Komponenten separat optimiert (und evtl. repariert) werden k?nnen, ohne dem ganzen System zu schaden. Langfristig gesehen wird sich erhofft, unsere Komponenten mit anderen Technologien anzupassen, um einen Mehrwert und mehr Funktionalit?t zu erm?glichen.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner: Prof. Dr. Tim Bartley
Weitere Informationen: https://www.photonikforschung.de/projekte/quantentechnologien/projekt/isoqc.html
Quantentechnologien werden einen transformativen Einfluss auf unsere Gesellschaft besitzen; insbesondere Quantencomputing welches den grundlegenden quantenmechanischen Effekt der Verschr?nkung für die effiziente Berechnung von Aufgaben verwendet, die mit einem klassischen Computer in realistischer Zeit nicht durchgeführt werden k?nnen. Zusammen mit superleitenden Quantenzust?nden (Qubits) sind Photonen die einzigen Plattformen, welche einen solchen Quantenvorteil bereits demonstriert haben.
Allerdings wird die Quantenphotonik ihre Erwartungen als bahnbrechende Technologie nur erfüllen, wenn sie auf skalierbare Weise integriert wird. Die L?sung liegt in quantenphotonischen integrierten One-way Quantencomputing Schaltkreisen, in denen verschr?nkte Photonen-Clusterzuzst?nde zur Kodierung und Verarbeitung von Quanteninformation auf einem kompakten photonischen Schaltkreis verwendet werden.
In diesem Projekt wird die Universit?t Paderborn einen integrierten photonischen Schaltkreis realisieren, welcher dank ultra-schneller integrierter Modulatoren und kryogener Elektronik diese Feed-forward Operation erm?glicht. Dank der Dünnschichtlithiumniobat auf-Isolator-(LNOI) Plattform, welche über einen gro?en elektrooptischen Effekt, niedriger Transmissionsverluste in einem breiten Wellenl?ngenbereich, sowie starker Nichtlinearit?t verfügt, ist es der Universit?t Paderborn m?glich alle Qubitmanipulationsoperationen eines One-way Quantencomputers auf einer einzigen Materialplattform zu realisieren. Das gleichzeitige Verbinden aller One-way Quantencomputing-Bausteine auf einer einzigen Materialplattform gew?hrleistet hohe Kompatibilit?t und erm?glicht eine effiziente Skalierbarkeit. Die Universit?t Paderborn entwickelt damit die Kerntechnologie zur Realisierung des ersten skalierbaren, integrierten One-way Quantencomputer Demonstrator QPIC-1.
In der Laufzeit vom 01.09.2021 bis zum 31.08.2025 wird das Projekt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gef?rdert. Weitere Informationen finden 360直播吧 auf der BMBF-Projektseite.
Kontakt: Prof. Dr. Klaus J?ns
Ideale eindimensionale elektronische Systeme haben besondere Eigenschaften, wie die Quantisierung der Leitf?higkeit, Ladungsdichtewellen und Luttingerflüssigkeitsverhalten, und eine Vielzahl von Instabilit?ten mit einer Vielzahl von zugeh?rigen Phasenüberg?ngen.
Diese sind auf ihre reduzierte Dimensionalit?t und die damit verbundene hohe elektronische Korrelationen zurückzuführen.
Die Erforschung und Identifizierung von physischen Szenarien mit eindimensionalen Eigenschaften unter expliziter Berücksichtigung von 2D- und 3D-Kopplung ist das zentrale Thema der Forschergruppe FOR1700, in der die Arbeitsgruppe von Professor Schmidt mit Forschern aus Würzburg, Duisburg, Berlin, Rom, Hannover, Gie?en, Chemnitz, Düsseldorf, und Osnabrück zusammenarbeitet.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner: Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt
Jitterarme Signalquellen werden h?ufig für Objekterkennung, Navigations- und Ultra-Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikationssysteme eingesetzt. Der Jitter der Signalquellen wird von der Referenzsignalquelle dominiert, die ein Oszillator mit Surface-Acoustic-Wave-Resonator (SAW-Resonator) oder mit Quarzresonator ist. Diese rauscharmen Referenzoszillatoren sind derzeit Stand der Technik für Kommunikationssysteme. Jedoch k?nnen mit einem Mode Locked Laser (MLL) erzeugte optische Impulsfolgen einen um 2-3 Gr??enordnungen kleineren Jitter erreichen. Es wurde auch gezeigt [4], dass durch die Verwendung eines optoelektronischen Phasendetektors und einer Phasenregelschleife ein Mikrowellenoszillator an einen MLL gekoppelt werden kann. Solche opto-elektronischen Phasenregelkreise (OEPLL) haben ein gro?es Potenzial für eine neue Klasse von Frequenzsynthesizern mit extrem niedrigem Jitter.
Die gr??ten Nachteile dieser OEPLLs sind ihre gro?en und teuren optischen Komponenten. Elektronisch-photonisch integrierte Schaltungen auf Basis der Silizium-Photonik-Technologie bieten das Potenzial für eine extreme Miniaturisierung dieser optischen Komponenten sowie die Integration von Optik und Elektronik und beides bei geringen Kosten.
Ziel dieses Projekts ist die Implementierung eines monolithisch-integrierten OEPLL mit einem extrem niedrigen Phasenrauschen. In Zusammenarbeit mit unseren Projektpartnern an der Ruhr-Universit?t Bochum entwickeln wir die n?chste Generation von jitterarmen Mikrowellensignalquellen. Diese Art von Signalquelle verwendet eine PLL, die die optische Pulsfolge eines MLLs als Referenz verwendet. Um die Vorteile des Referenzsignals im optischen Bereich voll auszusch?pfen, erfolgt die Phasendetektion elektrooptisch mit einem Mach-Zehnder-Modulator (MZM).
In der ersten Phase wird das Gesamtsystem mit modularen Komponenten realisiert. In der zweiten Phase werden der MZM und die Elektronik in einem einzigen Siliziumchip integriert. Die Arbeit wird von theoretischen Untersuchungen begleitet, die durch Messungen validiert werden.
Ziel des Projekts ist, dass der additive Jitter des OEPLL kleiner als der Referenz-MLL-Jitter ist. Das Mikrowellensignal h?tte damit einen In-Band Jitter, der herk?mmliche elektronische PLLs bei Weitem übertrifft.
References:
[1] Kim et al, “Sub-100-as timing jitter optical pulse trains from mode-locked Er-fiber lasers,” Optics letters, vol. 36, no. 22, pp. 4443-4445, 2011.
[2] “Ultra Low Phase Noise Oven Controlled Crystal Oscillator,” Vectron, Datasheet OX-305.
[3] “Voltage Controlled SAW Oscillator Surface Mount Model,” Synergy Microwave, Datasheet HFSO1000-5.
[4] Jung et al, “Subfemtosecond synchronization of microwave oscillators with mode-locked Er-fiber lasers,” Optics letters, vol. 37, no. 14, pp. 2958-2960, 2012
Wissenschaftlicher Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Christoph Scheytt
Das Schwerpunktprogramm "Integrierte Elektronisch-Photonische Systeme für die Ultrabreitbandige Signalverarbeitung" (SPP 2111) ist ein F?rderprogramm, das sich mit dem noch jungen Forschungsgebiet der integrierten, elektronisch-photonischen Systeme auf Basis neuer nanophotonischer/nanoelektronischer Halbleitertechnologien, insbesondere der Siliziumphotonik und Indium-Phosphid-Technologien, befasst. Das Programm wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gef?rdert und von Prof. Christoph Scheytt koordiniert.
Das Ziel des Schwerpunktprogramms ist, nanophotonische/ nanoelektronische Halbleitertechnologien aus einer Systemperspektive heraus zu untersuchen und neue Konzepte für die elektronisch-photonische Signalverarbeitung und Algorithmen, sowie neue integrierte elektronisch-photonische Systemarchitekturen zu finden. Die Forschung fokussiert auf drei Schwerpunkte:
- Ultrabreitbandige elektronisch-photonische Signalverarbeitung mit Bandbreiten weit jenseits elektronischer Systeme
- Frequenzsynthese, Analog-Digital-Wander, Digital-Analog-Wandler auf Basis von mode-locked Laser
- Optische und THz-Sensorik
Die Forschungsarbeiten werden in enger fachübergreifender Zusammenarbeit von Forschern aus Halbleiterphysik, Elektronik, Photonik, Informatik, Kommunikationstechnik, Mikrosystemtechnik und Sensorik durchgeführt.
Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Christoph Scheytt
Mehr Informationen über das SPP 2111 und eine Liste der in der ersten Phase des SPP (2018 bis 2021) gef?rderten Projekte sind in der F?rderdatenbank GEPRIS der DFG zu finden unter: gepris.dfg.de/gepris/projekt/359861158 .
Schnelle Digital-Analog-Umwandler (engl. digital-to-analog converter, DAC) sind unverzichtbare Komponenten in modernen Signalverarbeitungs-Systemen. Bandbreite und effektive Aufl?sung (engl. effective number of bits, ENOB) sind wichtige Kenndaten von schnellen DACs. Gleichzeitig stellen sie einen Zielkonflikt beim Entwurf eines DACs dar: Je breitbandiger der DAC, desto geringer ist typischerweise die Aufl?sung. Gründe dafür sind der Jitter des Taktsignals und die Linearit?t schneller Transistoren, die für die Ausgangsstufe des DACs ben?tigt werden [1]. Diese grunds?tzlichen physikalischen Begrenzungen motivieren die Suche nach neuen DAC-Konzepten. Besonders vielversprechend sind elektronisch-photonische DAC-Konzepte und ihre integrierte Realisierung mittels Siliziumphotonik.
Das Ziel des PONyDAC Projekts ist die Untersuchung von elektronisch-photonischen DACs mittels Synthese optischer Nyquistpulse und optischem/elektronischem Time-interleaving. Dieses Konzept soll in modernster Siliziumphotonik-Technologie, durch die monolitische Ko-Integration von photonischen und elektronischen Komponenten, implementiert werden. Dieser v?llig neue Ansatz hat das Potential die Signalbandbreite heutiger DACs zu vervielfachen.
Das funktionale Prinzip ist in Abb. 1 dargestellt. Ein Mach-Zehnder Modulator (MZM) wird optisch von einem Continous Wave Laser (CW) und elektronisch von einer hochfrequenten Signalquelle (RFG, radio frequency generator) mit m?glichst geringem Phasenrauschen gespeist. Durch Einstellung sowohl der Amplitude und Frequenz des Signals als auch des Arbeitspunkts des MZMs k?nnen optische Frequenzk?mme erzeugt werden, welche im Zeitbereich periodischen Nyquistimpulsen mit einstellbarer Repititionsrate und Pulsweite entsprechen [2]. In einem folgenden optischen Leistungsteiler werden die Nyquistpulsefolgen in N Arme aufgeteilt und zeitlich zueinander verz?gert. Die Mach-Zehnder Modulatoren in den Armen werden durch elektronische DACs [s_0 s_1…s_(N-1)] angesteuert und modulieren den Lichtpuls im jeweiligen Arm. In einem optischen Kombinierer werden die modulierten Signale bei passender Verz?gerung (time-interleaving) zu einem einzelnen Ausgang überlagert.
Das Konzept des optischen time-interleaving erm?glicht eine sehr hohe Ausgangsbandbreite, die ein Vielfaches der Bandbreite elektronischer DACs betragen kann. Im Projekt soll ein elektronisch-photonischer DAC in einer modernen Siliziumphotonik-Technologie realisiert werden [3], der eine Ausgangsbandbreite von mehr als 100 GHz erreicht.
Das Projekt PONyDAC wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Schwerpunktprogramms ?Electronic-Photonic Integrated Systems for Ultrafast Signal Processing“ (SPP 2111) gef?rdert. Projektpartner ist das Institut für Hochfrequenztechnik der TU Braunschweig (Prof. Thomas Schneider).
[1] M. Khafaji, J. C. Scheytt, et. al., "SFDR considerations for current steering high-speed digital to analog converters," 2012 IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting (BCTM), Portland, OR, 2012
[2] M. A. Soto et al., “Optical sinc-shaped Nyquist pulses of exceptional quality,” Nat. Commun., vol. 4, no. May, pp. 1–11, 2013.
[3] L. Zimmermann et al., “BiCMOS Silicon Photonics Platform,” Opt. Fiber Communication Conference (OFC), San Diego, p. Th4E.5, 2015.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Christoph Scheytt
Die heutige Gesellschaft basiert auf dem schnellen Zugang zu Informationen. Ein Informationsvorsprung ist in den Bereichen Wirtschaft, Finanzen, Politik und Sicherheit von entscheidender Bedeutung. Der Gro?teil unseres Informationsaustauschs erfolgt über das Internet. Die derzeitige Struktur unseres Internets hat jedoch nicht nur Kapazit?tsgrenzen, auch die Datenübertragung ist nicht sicher. Daher müssen wir in ein zukünftiges Netz investieren, das in der Lage ist, den massiven Datenfluss zu bew?ltigen und eine sichere Datenkommunikation zu erm?glichen. Die Physik bietet mit dem so genannten Quanteninternet eine L?sung für diese schwierige Aufgabe. Mit Hilfe der Quantenmechanik ist es m?glich, Informationen auf dem kleinsten Energiequantum, einem einzelnen Lichtteilchen, dem Photon, zu kodieren. Auf einzelnen Photonen kodierte Informationen k?nnen nicht abgeh?rt werden, ohne dass der Sender und der ursprüngliche Empf?nger dies bemerken. Das Grundkonzept beruht auf Netzknoten und speziellen Verbindungen, die das quantenmechanische Analogon zu den klassischen Glasfaserverst?rkern darstellen, die derzeit zur ?berwindung von ?bertragungsverlusten in Standardnetzen verwendet werden, um physisch getrennte Knoten miteinander zu verbinden. Dasselbe quantenmechanische Prinzip (Non-Cloning-Theorem), das das Netz absolut sicher macht, macht jedoch auch die klassische Signalverst?rkung unm?glich. Qurope entwickelt Quantenkommunikationsverbindungen, die einen anderen quantenmechanischen Effekt nutzen, um ?bertragungsverluste zu überwinden: Entanglement-Swapping unter Verwendung von Quanten-Repeatern. Dies erm?glicht die ?bertragung von Quanteninformationen, ohne dass ein einzelner Informationstr?ger über die gesamte Entfernung zum Empf?nger gesendet werden muss. Um solche Quanten-Repeater zu realisieren, sind Quantenspeicher und Quellen für verschr?nkte Photonenpaare erforderlich. Das Ziel von Qurope ist es, eine hybride Quanten-Repeater-Architektur zu entwickeln, die auf ungleichen Quantensystemen basiert, und ihre Leistungsf?higkeit in realen Anwendungen zu testen. Die geplante Implementierung basiert auf zwei bahnbrechenden Technologien, die im Rahmen des Projekts entwickelt werden:
(i) Nahezu ideale, auf Quantenpunkten basierende Quellen für verschr?nkte Photonenpaare, die sich gleichzeitig durch hohe Helligkeit, einen nahezu einheitlichen Verschr?nkungsgrad und Ununterscheidbarkeit, Abstimmbarkeit der Wellenl?nge und bedarfsgerechten Betrieb auszeichnen werden.
(ii) Effiziente und breitbandige Quantenspeicher, die speziell für die Speicherung und den Abruf von polarisationsverschr?nkten Photonen aus Quantenpunkten konzipiert und entwickelt werden.
Verschiedene Quantenpunkt-Quantenspeichersysteme werden kombiniert, um Nahinfrarot- und Telekom-basierte Quanten-Repeater zu entwickeln, die dann unter Verwendung von auf Verschr?nkung basierenden Quantenschlüsselverteilungsprotokollen sowohl im freien Raum als auch auf Glasfasern getestet werden. Dies wird in der elementaren Quantennetzwerk-Infrastruktur des Konsortiums durchgeführt - ein wichtiger Durchbruch, der den Weg für die künftige gro? angelegte Umsetzung einer sicheren Quantenkommunikation ebnen wird. Das Projekt kombiniert Halbleiterphysik, Nanofabrikationstechnologie, Atomphysik und Quantenoptik und profitiert stark von den entstehenden Synergieeffekten. Damit verfügt Qurope über alle erforderlichen Werkzeuge, um endlich einen funktionsf?higen hybriden Quanten-Repeater zwischen Quantennetzknoten zu realisieren, der uns dem Quanteninternet einen gro?en Schritt n?her bringt.
Kontakt: Prof. Dr. Klaus J?ns
Ziel der ersten F?rderperiode des Projektes ist eine Bibliothek mit Bauelementen und analogen sowie digitalen Grundschaltungen für Sensor und Kommunikationsanwendungen basierend auf amorphen Metalloxiden auf flexiblen Substraten. Zur Implementierung der Hardware sollen Feldeffekttransistoren mit amorphen n-Halbleitern verwendet werden, die bei oder nahe der Raumtemperatur abgeschieden werden. Zun?chst sollen diese auf Zinkzinnoxid basieren, sp?ter jedoch auch Materialien mit h?herer Beweglichkeit untersucht werden. Für die Gatestruktur sollen MISFET, MESFET und JFET (basierend auf amorphen oxydischen p-Halbleitern) verglichen und die am besten geeignete Technologie für Schaltungen auf flexiblen Substraten (Kriterien: Gleich- und Wechselstromverhalten, Verhalten unter mechanischem und elektrischem Stress, Einfachheit und Reproduzierbarkeit der Fertigung) ausgew?hlt und detaillierter weiterverfolgt werden. Der gesamte Herstellungsprozess wird auf Temperaturen unter 100 °C begrenzt. Der Abscheidevorgang für die amorphen Halbleitermaterialien, der derzeit mit PLD bei Raumtemperatur erfolgt, soll auf Sputtern übertragen und optimiert werden, da diese Methode in der Industrie etabliert ist und die Skalierung für künftige Anwendungen erlaubt. Basierend auf der Fertigung und Charakterisierung der passiven und aktiven Bauelemente sollen Modellbibliotheken entwickelt werden, die die Basis von Schaltungssimulationen analoger und digitaler Grundschaltungen erm?glichen. Für erste Demonstratoren wird die Frequenz von 6.8 MHz, im weiteren Projektverlauf das ISM-Band bei 13.5 MHz für Sensor- und Kommunikationsanwendungen auf flexiblen Substraten, z.B. nahe am menschlichen K?rper, angestrebt. Hieraus ergibt sich der Wunsch, in der zweiten F?rderperiode mit einer dritten Gruppe zusammenzuarbeiten, die im Bereich der Kommunikationstechnik, Sensorik oder Medizinelektronik t?tig ist. Daher sollen die Ergebnisse einschlie?lich der Modell-, Bauelementeund Schaltungsbibliotheken nicht nur publiziert, sondern vor allem im Rahmen des Schwerpunktprogramms FFlexCom den Partnern angeboten werden.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Andreas Thiede
Siliziumbasierte Analog-Digital-Wandler (ADCs), die mit Abtastraten im zweistelligen GSa/s-Bereich arbeiten, sind heute Stand der Technik. Obwohl diese Wandler heute mit noch nie dagewesenen Abtastraten arbeiten, verbessern sich die effektive Aufl?sung (effective number of bits, ENOB) und die Analogbandbreite nur langsam. Ein wesentliches Hindernis für die weitere Verbesserung von Bandbreite und Aufl?sung ist der sog. Aperturjiitter, d.h. die zeitliche Unsicherheit der Abtastung, welche das Produkt aus ENOB und Bandbreite begrenzt. Die derzeit besten ADCs erreichen einen Aperturjitter von ca. 60fs, was ungef?hr dem Taktjitter der verwendeten rauscharmen elektronischen Taktgeneratoren entspricht [1]. Eine weitere Reduzierung wird insbesondere für Abtastraten im hohen GHz-Bereich nur m?glich sein, wenn sich der Taktjitter signifikant verringert. Dem gegenüber zeigen ultra-stabile moden-gekoppelte Laserquellen (MLLs) schon heute einen Taktjitter von wenigen Attosekunden [2]. Würde man diese Quellen als Referenz für die Abtastung verwenden, k?nnte man die Leistungsf?higkeit der ADCs um mehrere Bits verbessern, was mit diskreten elektronisch-photonisch ADCs bereits demonstriert wurde [1].
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens untersuchen wir ultra-breitbandige elektronisch-photonische ADCs in Siliziumphotonik-Technologie. Ziel ist es dabei, eine signifikante Verbesserung des ENOB-Bandbreite-Produkts experimentell zu demonstrieren. Dies würde eine revolution?re Verbesserung des Standes der Technik bedeuten, welcher durch den geringen Jitter, die hohe Bandbreite und die massive Parallelisierbarkeit von integrierter Optik erm?glicht wird. Hierfür werden im Rahmen des Gemeinschaftsvorhabens zwei verschiedene elektronisch-photonische ADC-Architekturen und neuartige elektronisch-photonische Sampling-Techniken untersucht, für die analogen Bandbreiten von 500GHz bzw. 100 GHz, sowie ein ENOB von 5 bzw. 8 bit erreicht werden sollen.
Das Projekt PACE wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Schwerpunktprogramms ?Electronic-Photonic Integrated Systems for Ultrafast Signal Processing“ (SPP 2111) gef?rdert. Projektpartner sind die RWTH Aachen (Prof. Jeremy Witzens), Karlsruhe Institut für Technologie (Prof. Christian Koos) und die Universit?t Hamburg / DESY (Prof. Franz-Xaver K?rtner).
[1] A. Khilo et al., “Photonic ADC: overcoming the bottleneck of electronic jitter,” Opt. Express, vol. 20, no. 4, p. 4454, 2012.
[2] A. J. Benedick, J. G. Fujimoto, and F. X. K?rtner, “Optical flywheels with attosecond jitter,” Nat. Photonics, vol. 6, no. 2, pp. 97–100, 2012.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Christoph Scheytt
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-Universit?t Mainz und der Universit?t Paderborn. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt MiLiQuant im Rahmen der F?rderinitiative ?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 erm?glichen. Dazu sollen miniaturisierte, frequenz- und leistungsstabile Strahlquellen realisiert werden, die einen m?glichst justage- und wartungsfreien Einsatz auch au?erhalb 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 2.5?m Wellenl?nge. 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 n?chsten drei Jahren wird daran gearbeitet, die wissenschaftlichen Ergebnisse m?glichst nahtfrei in die Industrie zu überführen.
Wissenschaftliche Ansprechpartner: Prof. Dr. Christine Silberhorn Dr. Benjamin Brecht, Dr. Christof Eigner
Das Projekt ApresSF startete im Frühjahr 2020 im Rahmen des QuantERA F?rdernetzwerk, welches es sich zum Ziel setzt, Quantentechnologieforschung international in Europa zu vernetzen. Das Ziel des Projekts ist es, eine anwendungsfreundliche Hard- und Softwareplattform für super-aufl?sende Zeit- und Frequenzmessungen zu entwickeln.
Neben der Paderborner Arbeitsgruppe ?Integrierte Quantenoptik“ unter der Leitung von Frau Professor Christine Silberhorn sind an diesem Projekt weitere Partner aus Polen, der Tschechischen Republik, Spanien und Frankreich beteiligt. Unter der Leitung von Professor Lukasz Rudnicki von der Universit?t Gdansk werden in dem dreij?hrigen Vorhaben neue Theorieans?tze und Quantenbauelemente zur Messung von Frequenz- und Zeitabst?nden entwickelt, die eine Genauigkeit erreichen, die mit klassischen Methoden nicht umsetzbar ist. Die Paderborner Gruppe unter Leitung von Doktor Benjamin Brecht wird dabei die ben?tigten Quantenbauteile entwickeln und herstellen, sowie Hochpr?zisionsexperimente durchführen.
ApresSF wird vom BMBF im Rahmen des QuantERA Programms gef?rdert, welches von der EU im Rahmen des Horizon 2020 RIA Programms gef?rdert wird.
Wissenschaftliche Ansprechparter: Dr. Benjamin Brecht, Prof. Dr. Christine Silberhorn
Das Projekt QuICHE startete im Frühjahr 2020 im Rahmen des QuantERA F?rdernetzwerk, welches es sich zum Ziel setzt, Quantentechnologieforschung international in Europa zu vernetzen. In diesem Projekt werden innovative Ans?tze zur Quantenkommunikation mit gro?en Alphabeten erforscht und umgesetzt, mit dem Ziel sowohl Bitraten als auch Abh?rsicherheit der Kommunikation zu erh?hen.
Neben der Paderborner Arbeitsgruppe ?Integrierte Quantenoptik“ unter der Leitung von Frau Professor Christine Silberhorn sind an diesem Projekt weitere Partner aus Italien, Deutschland, Gro?britannien, Frankreich und Polen beteiligt. Unter der Leitung von Professor Chiara Macchiavello vom INFN Pavia legt QuICHE neue theoretische Grundlagen für die Quantenkommunikation mit gro?en Alphabeten. ?blicherweise werden Daten als ?0“ und ?1“ kodiert. Allerdings wurde bereits gezeigt, dass die Verwendung von gr??eren Alphabeten echte Vorteile für Quantenkommunikation mit sich bringt, zum Beispiel eine erh?hte Wahrscheinlichkeit einen Lauscher zu entdecken. In QuICHE erforschen wir optimierte Kodierungsverfahren sowie deren experimentelle Umsetzung. Die Paderborner Gruppe unter Leitung von Doktor Benjamin Brecht wird hierbei neue Kodierungsmethoden experimentell umsetzen und hochdimensionale Quantenkommunikation in experimentell realisieren.
QuICHE wird vom BMBF im Rahmen des QuantERA Programms gef?rdert, welches von der EU im Rahmen des Horizon 2020 RIA Programms gef?rdert wird.
Wissenschaftliche Ansprechparter: Dr. Benjamin Brecht, Prof. Dr. Christine Silberhorn
Weiter Informationen:
https://www.forschung-it-sicherheit-kommunikationssysteme.de/projekte/quiche
Die F?higkeit Messungen durchzuführen und in geeigneter Weise auszuwerten ist für den Fortschritt der THz-Kommunikationssysteme von entscheidender Bedeutung. Die Metrologie bei THz-Frequenzen befindet sich allerdings noch in einem frühen Stadium und umfasst, Stand heute, nur die Detektorkalibrierung, ultraschnelle Messger?te und die Messunsicherheitsanalyse verschiedener THz-Spektrometer ab. In dieser DFG-Forschungsgruppe (Metrologie für die THz Kommunikation (FOR 2863)) geht ein Konsortium aus Universit?ten, die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) und das National Physics Laboratory of Great Britain (NPL) systematisch auf die wichtigsten Herausforderungen der THz-Metrologie ein. Das Ziel ist es, Messmethoden zu etablieren, die auf das internationale Einheitensystem (SI) zurückzuführen sind, THz-Messger?te zu evaluieren und THz-Systemmessungen durchzuführen.
Im Rahmen des Meteracom-Projekts bringt die Schaltungstechnik-Gruppe ihre Expertise auf dem Gebiet der optoelektronischen Frequenzsynthesizer mit ultraniedrigem Jitter ein. Mit Hilfe dieser Synthesizer ist es m?glich die maximale Datenrate, welche theoretisch durch den Jitter des Lokaloszillators im Transceiver begrenzt ist, zu erh?hen. Darüber hinaus entwickelt die Schaltunstechnik-Gruppe ultrabreitbandige optisch geschaltete Abtast-ICs, sowie eine neue Generation von optischen Nyquist-Impulsabtast-ICs in einer fortschrittlichen Silizium-Photonik-Technologie.
Webseite: www.meteracom.de
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
PhD student:
Meysam Bahmanian
Responsible for frequency synthesizer and high speed ADC design.
Email: meysam.bahmanian[at]uni-paderborn.de
Supervisor:
Christoph Scheytt
Email: christoph.scheytt[at]hni.uni-paderborn.de
Publications:
Bahmanian, Meysam; Fard, Saeed; Koppelmann, Bastian; Scheytt, Christoph: Wide-Band Frequency Synthesizer with Ultra-Low Phase Noise Using an Optical Clock Source. In: 2020 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium (IMS), Los Angeles, CA, USA, USA, 4. - 6. Aug. 2020, IEEE (Details)
Scheytt, Christoph; Wrana, Dominik; Bahmanian, Meysam; Kallfass, Ingmar: Ultra-Low Phase Noise Frequency Synthesis for THz Communications Using Optoelectronic PLLs. In: International 360直播吧 on mobile THZ Systems (IWMTS), 2. - 3. Jul. 2020 IWMTS (Details)
STORMYTUNE ist ein Dreijahresprojekt im Rahmen des EU Horizon 2020 FET Open Calls, das im Oktober 2020 startet. Das strategische Ziel von STORMYTUNE ist es, Quantenzeit- und -frequenzmessungen als Quantentechnologie zu etablieren. Dazu entwickeln wir neue, quanteninspirierte Ans?tze für h?chstaufl?sende Zeit- und Frequenzmessungen, die robust und einfach umsetzbar und damit für Anwendungen relevant sind.
Quantenmetrologie ist ein dynamisches Forschungsfeld, welches sich von einer Spielwiese für neue theoretische Konzepte hin zu einer ernstzunehmenden Technologie entwickelt. Erste Quantengravitationssensoren befinden sich derzeit im industriellen Teststadion. Quantenzeit- und -frequenzmessungen sind hingegen trotz mannigfaltiger Anwendungsm?glichkeiten – Beispiele hierfür sind GPS, LIDAR oder Mikroskopie – wenig erforscht und basieren oft auf der Verwendung fragiler Quantenzust?nde. Unter der Koordination der Paderborn Arbeitsgruppe ?Integrierte Quantenoptik“ von Frau Professor Silberhorn geht STORMYTUNE hier neue Wege. Zusammen mit weiteren Partnern aus Gro?britannien, Frankreich, Italien, Spanien, der Tschechischen Republik und Polen verschieben wir den Fokus weg von der Verwendung unpraktischer Quantenzust?nde hin zur Realisierung anwendungsfreundlicher Quantenmessungen. Dabei führt die Kombination von Quanteneigenschaften wie Verschr?nkung, effizienter Datenverarbeitung und gezielter Bauteilentwicklung letztlich zur Entwicklung eines Instrumentariums für alltagstaugliche, hochaufgel?ste Zeit- und Frequenzmessungen. Angeführt von Dr. Benjamin Brecht werden Paderborner Forscher in STORMYTUNE neue Quantenbauteile und -messungen entwickeln und im Experiment demonstrieren.
STORMYTUNE wird von der EU im Rahmen des Horizon 2020 RIA Programms unter der Kennziffer 899587 gef?rdert.
Wissenschaftliche Ansprechparter: Dr. Benjamin Brecht, Prof. Dr. Christine Silberhorn
Unsere Fachgruppe entwickelt in Kooperation mit Partnern aus Industrie und Forschungsinstituten hochintegrierte elektrooptische MIMO-Radarsensoren für Anwendungen im Bereich hochautomatisiertes Fahren. Im Gegensatz zu anderen Sensorkonzepten für automatisches Fahren, wie z.B. Lidar (Light detection and ranging), VLC (visible light communication) oder kamera-basierten Systemen, sind radar-basierte Systeme deutlich robuster gegenüber Umwelteinflüssen, wie Umgebungslicht, Regen, Schnee, Nebel usw. Ausserdem sind Radarsysteme in der Lage selbst über sehr gro?e Distanzen Objekte zuverl?ssig zu detektieren. Allerdings ist die Winkelaufl?sung selbst bei modernen Radarsystemen derzeit nicht ausreichend für das automatische Fahren.
Der limitierende Faktor bei der Winkelaufl?sung ist u.a. die maximale Fl?che des Antennen-Arrays (Antennen-Apertur), denn je gr??er die Antennen-Apertur ist, desto besser ist die Winkelaufl?sung des Radarsystems, d.h. kleinere Objekte werden besser erkannt.
Eine gro?e Herausforderung ist dabei die Kommunikation zwischen den Hochfrequenz-Radar-Frontends (77 GHz Radar-Chip mit Antenne) und der Zentralstation, in der die Sendesignale erzeugt und die Empfangssignale verarbeitet werden. Selbst bei moderaten Frequenzen von einigen GHz ist der maximale Abstand der Antennen durch Verluste in den elektrischen Leitungen (mehrere dB/cm), auf einige cm beschr?nkt. Im Gegensatz zu elektrischen Leitungen haben Glasfasern nur Verluste im Bereich von 0,1dB/km auch bei sehr hohen Frequenzen, wodurch es m?glich ist den Abstand der Antennen fast beliebig gro? zu entwerfen, wodurch die Winkelaufl?sung fast beliebig fein eingestellt werden kann.
Im Rahmen des Projekts wurden die weltweit ersten integrierten photonisch-elektronischen Radarchips entwickelt. Das optische Signal wird über Gitterkoppler in den Chip eingekoppelt, mittels Photodiode und Transimpedanzverst?rker in ein elektrisches Signal gewandelt, in das Radarband von 76 GHz-77GHz hochgemischt, welches für automobile Anwendungen lizensiert ist, bevor es in einem Pufferverst?rker und einem Leistungsverst?rker verst?rkt wird.
Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Christoph Scheytt
