Fraunhofer IZM

Gerätepark für Quanten-Forschung

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Auf dem Weg zu marktreifen Quantentechnologien: Im Berliner QuantumPackaging Lab werden Packaging-Technologien für die Quantenphotonik entwickelt.
© Fraunhofer IZM, Matthildur Valfells

Mit Geldern der Europäischen Union und des Landes Berlin haben Forschende des Fraunhofer IZM einen Gerätepark geplant, mit dem sie Quantentechnologien auf Glasbasis weiterentwickeln wollen.

Mit Quanten lässt sich nicht nur rechnen, sondern auch messen und kommunizieren. Diese Kombination ermöglicht es, dass in den nächsten Jahren vielfältige Produkte im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnik sowie auf dem Sensorikmarkt entstehen können. Damit sich die Hersteller grundlegende Prinzipien der Quantenmechanik zunutze machen können, benötigen sie hochspezialisierte Anlagen und Prozesse. Eine solche hat das Fraunhofer IZM nun geplant.

Quantenobjekte sind nur einige Nanometer groß, agieren jedoch auf einzigartige Weise: So besitzen sie beispielsweise weder eine exakte Position noch eine genaue Bewegungsrichtung. Weit voneinander entfernte Teilchen können sogar miteinander verschränkt sein. Auf der Grundlage dieser Phänomene entwickeln Forschende weltweit Quantentechnologien, die ein unvergleichliches Potenzial für die angewandte Forschung in verschiedenen Branchen eröffnen. Um diese Revolution mitzugestalten, nahm die Fraunhofer-Gesellschaft Anfang des Jahres den ersten Quantencomputer in Deutschland in Betrieb.

Ein nächster Schritt ist das Berliner QuantumPackagingLab, das ab Mitte 2022 als Anlaufstelle für die Entwicklung zuverlässiger Packaging-Ansätze rund um die Quantenphotonik bereitstehen soll. Die Forschenden versuchen dort, Glas als transparentes Substrat und Träger von zukünftigen photonischen Schaltkreisen zu nutzen. Zudem wollen sie bereits bestehende Wellenleitertechniken auf den sichtbaren und den Nahinfrarotbereich, das sogenannte VIS-NIR-Spektrum, ausweiten. Dafür verwenden sie Panel Level-Integrationstechniken, die für elektrische Leiterplatten entwickelt wurden. Um die Aufbautechniken, Packages sowie die Systemintegration für photonische Quantentechnologien anzugehen, wird am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in insgesamt vier Laboren eine neue Infrastruktur aufgebaut. Besondere Bedeutung kommt den folgenden fünf Großanlagen zu:

  • Scanning Nearfield Optical Microscope (SNOM): Das SNOM im optischen Messlabor nutzt die optische Spektroskopie zur Untersuchung von Oberflächen nanophotonischer Bauteile. Kernpunkt des Vorgangs ist, dass Laserlicht mit einem minimalen Durchmesser, kleiner als der eines Wellenleiters, in unmittelbarer Nähe der Probe fokussiert wird. Zudem können durch das sogenannte evaneszente Feld, das beim optischen Abklingen einer Lichtwelle an Grenzflächen entsteht, hochzuverlässige Messungen durchgeführt werden.
  • Wellenleiterkoppler: Das automatisierte Großsystem nutzt eine integrierte Kamera sowie Such- und Optimierungsalgorithmen, um mehrere Wellenleiter gleichzeitig an ein Faserarray zu koppeln. Das eingekoppelte Licht wird an der Ausgangsseite des Wellenleiters detektiert.
  • 3D-Glasdrucker: Er strukturiert Glas mithilfe von ultrakurzen Lichtimpulsen. In einem nachgelagerten Prozessschritt können Glasoberflächen geätzt und damit modifiziert werden. Mit dem Gerät wird insbesondere das Laser Direct Writing angestrebt, also das direkte Einlasern von Wellenleitern und photonischen Strukturen wie Beugungsgittern in Glas. Weitere Funktionen sind das Bohren von Mikrolöchern in Glas und das Schweißen, bei dem das Glas nur lokal erwärmt wird und somit hermetische und transparente Glas-Glas-Schweißverbindungen realisierbar werden.
  • Mikro-Ultrahochvakuum-Bonder: Mit dieser Anlage planen die Forschenden, das Laserlöten sowie andere hermetische Verbindungsprozesse von Glas unter Vakuumbedingungen durchzuführen. Die stark fokussierte Laserstrahlung wird dabei vom Glaslot absorbiert. Hierdurch erwärmt es sich oberhalb des Lotschmelzpunkts, was zu einer Verbindung der Glasflächen führt.
  • Ultrahochvakuum-Bedampfungsanlage: Mit der Ultrahochvakuum-Bedampfungsanlage können metallische Beschichtungen mit einer Dicke von wenigen Nanometern und einer Präzision von einem Nanometer auf Glasoberflächen aufgedampft werden. Die Prozesse dienen zum einen der Herstellung halbtransparenter, metallisch beschichteter Spiegel, zum anderen können die metallischen Flächen selbst zum Leiter von Plasmonen werden.

Das Fraunhofer IZM sucht nun Forschungspartner, mit denen es die anwendungsorientierte Systemintegration, insbesondere Aufbautechnik und Packaging, für die Gebiete der Quantenkommunikation und -sensorik entwickeln kann.
Das QuantumPackagingLab wird vom Land Berlin im Rahmen einer EFRE-Co-Finanzierung mit insgesamt 3.392.000 Euro gefördert.


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