Gruppe "Quantennetzwerke"
In der Gruppe „Quantennetzwerke“ beschäftigen wir uns mit verschiedenen Aspekten photonischer Quantentechnologien – unter anderem mit der präzisen Analyse von Materie (Quantenspektroskopie), genaueren Messverfahren (Quantenmetrologie), der sicheren Übertragung von Informationen (Quantenkommunikation) und der Vernetzung von Quantensystemen (Quantennetzwerke). Gemeinsam ist allen diesen Anwendungen, dass wir gepulstes Quantenlicht nutzen: kurze Lichtpulse mit einem breiten Frequenzspektrum.
Diese Lichtpulse werden in winzigen, auf Chips integrierten Wellenleitern erzeugt und verarbeitet – eine Technologie, die die Geräte kompakt und stabil macht. Wir entwickeln dabei spezielle Quantenlichtquellen, mit maßgeschneiderten spektralen Eigenschaften. Ein zentrales Bauteil ist unser Quantenpulsgatter (QPG), das es uns ermöglicht, Lichtpulse mit komplexen Spektren gezielt zu steuern, zu verschalten und zu messen.
Unsere Arbeit liegt zwischen Grundlagenforschung und praktischer Anwendung – mit dem Ziel, Quantentechnologien einfacher, kleiner und nutzbarer zu machen.
B. Brecht et al, “Photon Temporal Modes: A Complete Framework for Quantum Information Science”, Phys. Rev. X 5, 041017 (2015); DOI: 10.1103/physrevx.5.041017
V. Ansari et al, “Tailoring nonlinear processes for quantum optics with pulsed temporal-mode encodings”, Optica 5, 534-550 (2018); DOI: 10.1364/optica.5.000534
Quantenpulsgatter
Das Quantenpulsgatter ist ein integriert-optisches Bauteil, das auf nichtlinear-optischer Summenfrequenzerzeugung basiert. Dabei haben ein Eingangs-Quantenlichtsignal und ein heller Laserpuls im Wellenleiter die gleiche Geschwindigkeit. Hiermit sprechen wir genau den Teil des Quantenlichts an, der die gleiche komplexe Amplitude (Zeitform) hat wie der Laserpuls und konvertieren ihn zu einer andere Wellenlänge. Da wir den Laserpuls beliebig formen können, können wir jetzt beliebige Teile des Quantenlichts konvertieren und messen; in der Fachsprache sagen wir, dass wir auf beliebige, einstellbare Frequenzsuperpositionen projizieren können.
Das ermöglicht es uns, eine breite Klasse von Anwendungen mit Frequenzkodierungen zu untersuchen. Beispiele sind die Charakterisierung des elektrischen Felds von Quantenlichtpulsen (Stichwort: FIREFLY), Multi-Kanaldetektoren (Stichwort: mQPG), superaufgelöste Zeit- und Frequenzmessungen sowie frequenzkodierte Netzwerke.
Wir arbeiten kontinuierlich daran, die Einsatzmöglichkeiten unserer Quantenpulsgatter zu erweitern und unsere Bauteile kleiner und effizienter zu machen.
A. Bhattacharjee et al., “Frequency-bin interferometry for reconstructing electric fields with low intensity”, arXiv:2504.08607 (2025); DOI: 10.48550/arXiv.2504.08607
L. Serino et al., “Realization of a Multi-Output Quantum Pulse Gate for Decoding High-Dimensional Temporal Modes of Single-Photon States”, PRX Quantum 4, 020306 (2023); DOI: 10.1103/prxquantum.4.020306
V. Ansari et al., “Achieving the Ultimate Quantum Timing Resolution”, PRX Quantum 2, 010301 (2021); DOI: 10.1103/prxquantum.2.010301
Quantenspektroskopie
Spektroskopie ist eine weitverbreitete Methode für die Untersuchung von verschiedensten Proben mit Anwendungen im Environmental Monitoring oder in der medizinischen Vorsorge. Paart man dies mit den seltsamen Eigenschaften von Quantenlicht, kann man Sensoren bauen, die eine Probe bei einer Wellenlänge untersuchen, zum Beispiel im mittleren Infrarot, die Information aber bei einer anderen Wellenlänge auslesen, zum Beispiel im Sichtbaren.
Hiermit lassen sich neue Anwendungsfelder erschließen, Sensoren miniaturisieren und günstiger machen und Messgenauigkeiten verbessern.
F. Roeder, et al., “Towards integrated sensors for optimized OCT with undetected photons”, arXiv:2508.05320 (2025); DOI: 10.48550/arXiv.2508.05320; accepted in Phys. Rev. Applied
Quantenkommunikation
Wir untersuchen hochdimensionale Quantenkommunikation mit Frequenzkodierungen. Was bedeutet das? Es bedeutet einerseits, dass wir Information anstatt von in Bits (0 oder 1) in sogenannte Dits (0, 1, …, d-1) kodieren. Das hat zwei Vorteile: erstens kann jedes einzelne Photon mehr Information übertragen und zweitens erhöht sich die Sicherheit und Robustheit von unserem Quantenkommunikationssystem.
Es bedeutet andererseits auch, dass wir verschiedene Frequenzen (Farben) als “Buchstaben” verwenden. Das heißt, dass wir in der Lage sein müssen, Überlagerungen dieser Frequenzen zu messen. Hier verwenden wir das oben beschriebene Multikanal-Quantenpulsgatter.
Unser Ansatz ist interessant, da er die gleichen Technologien verwendet, die auch das Internet ermöglichen. Weiterhin ist er mit anderen Ansätzen kombinierbar und bietet hierdurch ein enormes Skalierungspotential.
Quantennetzwerke
Unsere Forschung zu Quantennetzwerken kombiniert Ansätze aus den anderen Bereichen: Wir verwenden Quantenlichtquellen mit extremer Zeit-Frequenz-Verschränkung; die einzelnen Frequenzen verschalten wir in Mehrkanal-Quantenpulsgattern; schließlich zählen und korrelieren wir die Lichtteilchen in den einzelnen Ausgangskanälen.
Diese Konfiguration erlaubt es uns, programmierbare Quantennetzwerke zu realisieren. Im Gegensatz zu anderen Ansätzen, benötigen wir für die Realisierung eines Quantennetzwerkes nur zwei Wellenleiter und können bei hohen Taktraten arbeiten.
Wie schon bei der Quantenkommunikation ist dieser Ansatz mit anderen Formen des Multiplexens kompatibel und kann bei der Entwicklung von skalierbaren Quantennetzwerken für Quantensimulation und Quantencomputing eine zentrale Rolle spielen.
Publikationen:
S. De, et al., “Realization of high-fidelity unitary operations on up to 64 frequency bins”, Phys. Rev. Research 6, L022040 (2024); DOI: 10.1103/physrevresearch.6.l022040
P. Folge, et al., “A Framework for Fully Programmable Frequency-Encoded Quantum Networks Harnessing Multi-Output Quantum Pulse Gates”, PRX Quantum 5, 040329 (2024); DOI: 10.1103/prxquantum.5.040329
