QUILT – Quantum Methods for Advanced Imaging Solutions

Fraunhofer-Leitprojekt

Im März 2018 startete in Berlin das neue Fraunhofer-Leitprojekt QUILT (Quantum Methods for Advanced Imaging Solutions). Hinter den Buchstaben verbirgt sich ein Konsortium von sechs Fraunhofer-Instituten sowie Partnern aus Wissenschaft und Industrie, die eng auf dem Gebiet der Quantenforschung zusammenarbeiten und an Bildgebungsverfahren im Terahertz-Spektralbereich auf Basis der Quantenoptik forschen. »Schrödingers Katze« hat sich hier vom Gedankenexperiment zur aufregenden und anwendbaren Realität entwickelt.

 

Bildgebung mit Terahertz-Wellen

Klassische Bildgebung im sichtbaren Spektralbereich profitiert von der breiten Verfügbarkeit guter Detektoren. Ob in Digitalkameras, PCs oder Smartphones: Die Mehrzahl der Haushalte in Deutschland besitzt mehrere optische Bildgebungssysteme mit Millionen von Detektorelementen. Im Terahertz-Spektralbereich ist die Bildgebung nach wie vor eine große technische Herausforderung. Oft können nur einzelne oder wenige Detektoren betrieben werden, sodass man oft auf abrasternde Verfahren angewiesen ist. Das bedeutet, man fährt mit einem einzelnen Detektor die aufzunehmende Szene ab und setzt diese anschließend zusammen.

Gruppenbild zum QUILT-Kick-Off in Berlin.
© Fraunhofer IOF/Walter Oppel

Gruppenbild zum QUILT-Kick-Off in Berlin.

Quantenoptik als Lösung

Mithilfe quantenoptischer Phänomene kann man Eigenschaften von Photonen (Lichtteilchen) auf andere Photonen übertragen. Schafft man es also, die Eigenschaften von schwer detektierbaren Photonen auf leicht detektierbare Photonen, z.B. denen des sichtbaren Lichtes, zu übertragen, so kann man auch diese gut identifizieren und umgeht das Problem der Detektorverfügbarkeit.

 

Erster Schritt schon erfolgreich

Inspiriert durch herausragende Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Quantenoptik in der Grundlagenforschung werden in unserem Leitprojekt diese Konzepte auf den Terahertz-Spektralbereich transferiert. Die erste experimentelle Herausforderung ist die Erzeugung geeigneter Photonenpaare, was im vergangenen Jahr erreicht wurde.

Die nächsten Schritte sind weiteres wissenschaftliches Neuland. Es soll die Wechselwirkung der Photonen im Terahertz-Bereich mit den sichtbaren Photonen nachgewiesen werden. Hier machen wir uns die gute Detektierbarkeit der sichtbaren Photonen zunutze, um die Terahertz-Wellen indirekt nachzuweisen und nutzbar zu machen. Gelingt dieser Schritt, so ermöglicht dies einen neuartigen Zugang zum Terahertz-Spektralbereich und dessen mannigfaltigen Anwendungen.

Unsere Rolle im Leitprojekt QUILT

Wir sind am Projekt im Bereich des Quantenimagings beteiligt und nehmen eine Schlüsselrolle bei der Modellierung, Simulation und Optimierung von quantenbasierten berührungsfreien Methoden ein. Das Ziel ist, Bildgabeverfahren für Materialoberflächen verlässlicher, schneller und kostengünstiger zu gestalten. Schwerpunkte dabei sind:

  • Kerntechnologie Quantum Models: Entwicklung eines digitalen Zwillings zur quantitativen Vorhersage quantenoptischer Experimente.
  • Experiment Terahertz-Strukturanalysesystem: Einsatz verschränkter Photonenpaare (VIS-THz) zur Verbesserung der Detektionseffizienz. 
Experimenteller Aufbau zum Nachweis der quantenoptisch erzeugten Photonen
© Fraunhofer ITWM

Experimenteller Aufbau zum Nachweis der quantenoptisch erzeugten Photonen