Enabling Technologies

Die 2. Quantenrevolution baut auf den Technologien und Verfahren auf, welche die 1. Quantenrevolution im Laufe der letzten Jahrzehnte entwickelt und immer weiter optimiert hat. Lasersysteme spielen für die Quantentechnologien eine zentrale Rolle. Beim Blick auf die eingesetzten Subsysteme und Komponenten wird klar: ohne photonische Enabling Technologies wäre es kaum möglich, einzelne Quanten – ob Photonen, Ionen, Elektronen oder Atome – zu kontrollieren, zu manipulieren, zu messen oder ihr Verhalten zu beobachten.

Oft geht es darum, Quanten in definiertem, mikrometergenauem Abstand zueinander zu bringen, damit sie (oder bei Atomen und Molekülen ihre Elektronen) miteinander wechselwirken. Dafür bedarf es hochpräziser und stabiler Laser sowie Optiken, die deren Strahlen mikrometergenau an die jeweiligen Fokuspunkte lenken. Laser sind im Einsatz, um neurale Atome und Moleküle zu ionisieren. Dadurch lassen sich diese elektromagnetisch einfangen und fixieren. Alternative: magneto-optische Fallen. Hier kühlen Laser neutrale Teilchen extrem ab, um sie zu bremsen. In einem Magnetfeld sind sie so für Experimente und Messungen präzise positionierbar, wobei Laser auch hierbei die Kräfte, Frequenzen und sonstigen Dynamiken erfassen. Mit Laserpulsen lassen sich auch quantenmechanische Superposition aus zwei Zuständen erzeugen oder Quanten kontrolliert in Rotation versetzen. Die Prozessbeobachtung basiert oft ebenfalls auf Photonik: etwa mit kamerabasierter Detektion von emittierten Photonen oder laserbasierten Fluoreszenz-Messungen.

Nobelpreis-Technologien als Möglichmacher

Die Grundlagen haben zahlreiche Forschungsteams erarbeitet und dafür mehr als einen Physik-Nobelpreis erhalten. Darunter die Gruppe um Steven Chu, auf die das Abbremsen der Atome per Laserkühlung zurückgeht. Laser können die Atome oder Ionen in Gasen in Sekundenbruchteilen bis auf wenige Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abkühlen. Ihre Geschwindigkeit geht dadurch von hunderten Metern pro Sekunde auf wenige Zentimeter zurück. Derart abgebremst lassen sie sich in optischen Gittern oder mithilfe laseroptischer Pinzetten kontrollieren, welche auf Forschungen des ebenfalls Nobelpreis-gekürten Arthur Ashkin zurückgehen.

Zur Messung der ultrahohen Frequenzen in Quantensystemen sind unter anderem Femtosekunden-Laser, sehr stabile Dauerstrichlaser und optische Frequenzkämme im Einsatz, zu deren Entwicklung und verfahrenstechnischer Anwendung die jeweils mit Nobelpreisen gekürten Gruppen um Donna Strickland und Gérard Mourou sowie um Theodor W. Hänsch maßgeblich beigetragen haben. Daneben sind für die Beobachtung und die Messung der Wirkweisen und Prozesse in Quantensystemen verschiedene in den letzten 100 Jahren mit Nobelpreisen ausgezeichnete Verfahren der Spektroskopie und Mikroskopie sowie Kamerasysteme im Einsatz.

Hinzu kommen die optischen Building Blocks der Quantensysteme. Dazu gehören Einzelphotonenquellen und -detektoren ebenso wie die spezifisch für das jeweilige System designten Optiken. Asphären, Freiformoptiken und Mikrooptiken oder auch hochkomplexe Linsen- und Spiegelkaskaden, Strahlteiler und Deflektoren, welche die Laserstrahlen teils sub-mikrometergenau dahin lenken, wo es die Kontrolle und Manipulation der einzelnen Quanten oder das Auslesen der quantenmechanischen Prozesse erfordert. Angesichts der Präzision, der geringen Lichtintensitäten und der bis in den Gigahertz-Bereich zu messenden Frequenzen sind photonische Highend-Komponenten gefragt, die optimale Strahlabschirmung gewährleisten, Streuverluste minimieren, nahezu rauschfreie optische Signalverarbeitung ermöglichen und sehr scharf fokussierbare Laserstrahlen bereitstellen.

Quantentechnologien sind für die photonischen Enabler ein Wachstumsmarkt. Aktuell setzen sie hier laut Marktanalysen Systeme, Komponenten und Subsysteme im Wert von rund 200 Millionen Euro jährlich ab. Bis 2030 soll das Volumen auf mehr als 500 Millionen Euro pro Jahr steigen.