Integrierte Photonik für Quantentechnologien

Ein internationales Team von Wissen­schaftlern um Klaus Jöns von der Uni Paderborn hat einen umfassenden Überblick über das Potenzial, die globalen Perspektiven und die Hintergründe sowie Grenzen der integrierten Photonik zusammengestellt. Die Roadmap für integrierte photonische Schaltkreise für Quanten­technologien erläutert zugrunde­liegende Technologien, stellt aktuelle Forschungsstände und zukünftige Anwendungs­möglichkeiten dar.

„Die photonischen Quanten­technologien haben in den vergangenen zwanzig 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 tausend optische Komponenten, welche alle individuell optimiert werden müssen. Allerdings können die photonischen Quanten­technologien von den parallelen Entwicklungen der klassischen photonischen Integration profitieren“, erklärt Jöns.

„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 Forscher halten 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 Wissen­schaftlern und Ingenieuren 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. „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“, so Jöns. Die Forscher erörtern, welche Anwendungen in Zukunft möglich werden könnten, wenn die derzeitigen Hindernisse überwunden werden. Außerdem geben sie 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.

Es sei dringend notwendig, großzügig in Bildung zu investieren, um die nächste Generation von Ingenieuren auf dem Gebiet der integrierten Photonik für Quanten­technologien auszubilden, betont 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.“

U. Paderborn / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  E. Pelucchi et al.: The potential and global outlook of integrated photonics for quantum technologies, Nat. Rev. Phys., online 23. Dezember 2021; DOI: 10.1038/s42254-021-00398-z
• Hybrid Quantum Photonic Devices (K. Jöns), Dept. Physik, Universität Paderborn