SINPHOSS
Single Photon Random Sampling Scope
Schnelle Lichtsignale für die Kommunikation, Medizin und Materialbearbeitung
Licht ist Träger von Information und Energie. Licht ist gleichzeitig ein Werkzeug naturwissenschaftlicher Forschung und ein Baustein von Hochtechnologien. Schnelle verarbeitete Lichtsignale sorgen dafür, dass wir heute über das Internet Informationen in Echtzeit abrufen können. Kurze Laserpulse ermöglichen hochgenaue automatisierte Fertigung. Sie ermöglichen uns mit einer Genauigkeit von wenigen Mikrometern, also einem Bruchteil der Breite eines Haares, zu Schneiden, zu Schweißen und zu Gravieren. In der Laserchirurgie werden kurze Laserpulse verwendet, um minimalinvasive Operationen an Haut und Augen durchzuführen. Mit der Verfügbarkeit immer schnellerer optischer Datenkommunikation und immer kürzeren Laserpulsen wächst der Bedarf für eine optische Messtechnik, die es ermöglicht solche schnellen Lichtsignale und ihre Eigenschaften, die für die genannten Anwendungen von kritischer Wichtigkeit sind, mit höchster Zeitauflösung zu messen.
Quantendetektoren messen einzelne Lichtteilchen mit hoher Präzision
Wir entwickeln eine innovative optische Messtechnologie, die sich die hochgenaue Detektion einzelner Lichtteilchen, einzelner Photonen, zunutze macht. Dazu bauen wir neuartige Quantendetektoren. Unsere Einzelphotonendetektoren basieren auf einem hauchdünnen Draht, der bei tiefen Temperaturen supraleitend wird, also keinen messbaren elektrischen Widerstand mehr aufweist. Der supraleitende Zustand ist hochsensibel. Schon ein einzelnes Lichtteilchen hat genug Energie, um den supraleitenden Zustand zu zerstören und ein messbares elektrisches Signal zu erzeugen. Um den Zeitpunkt eines eintreffenden Lichtteilchens sehr genau zu bestimmen, benötigen wir noch eine Elektronik, die in der Lage ist, elektrische Signale mit einer Genauigkeit von einigen hundert Femtosekunden zu erfassen. Diese entwickeln wir in Form eines integrierten elektronischen Schaltkreises in modernster Halbleitertechnologie. Diese Sensitivität auf einzelne Photonen und schnelle Signalverarbeitung ergeben eine Messtechnologie, die in der Lage ist, Lichtsignale mit Frequenzen bis zu einem THz zu messen. 1 THz ist etwa das 1000-fache der Betriebsfrequenz der schnellsten heute verfügbaren Computerchips. Der besondere Vorteil unserer Technologie ist, dass sie nicht nur sehr schnell, sondern auch hochsensibel ist. Die schnelle Detektion einzelner Photonen ermöglicht viele neue Anwendungen. Da wir einzelne Lichtteilchen detektieren, können wir auch sehr schwache Lichtsignale bei höchsten Frequenzen vermessen, etwa das schwache Streulicht, das beim Laserschneiden erzeugt wird. Dieses Licht enthält eine Fülle von Informationen über den Schneideprozess. Diese Technologie erlaubt es so zum ersten Mal, Prozesse in der Lasermaterialbearbeitung im Detail zu verstehen und feinere, schnellere und besser kontrollierte Verfahren zu entwickeln. Unsere Messtechnologie ermöglicht Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern in der optischen Datenkommunikation, schnelle schaltbare Laser und Lichtmodulatoren zu entwickeln, die Daten mit Bandbreiten weit über den heute verfügbaren 100 Gbit/s übertragen können. Auch schwache Störsignale, die an unsichtbaren Defekten in optischen Glasfaserkabeln entstehen und die Datenübertragung beeinträchtigen, können so detektiert werden. Darüber hinaus sind die entwickelten schnellen Einzelphotonendetektoren und integrierte Elektronik für Anwendungen in der Quantentechnologie von großer Bedeutung. Die Detektion einzelner Photonen mit hoher Zeitauflösung verbessert die Datenrate bei der Quantenkommunikation und beschleunigt Quantenalgorithmen in Quantencomputern, die auf Basis von photonischen Qubits arbeiten.
