Gruppe "Quantenphotonik"
In der Gruppe „Quantenphotonik“ beschäftigen wir uns mit Quantentechnologien auf der Basis von Quantenlichtpulsen [1], zum Beispiel mit der präzisen Analyse von Materie (Quantenspektroskopie), genauen Messverfahren (Quantenmetrologie), oder der Vernetzung von Quantensystemen (Quantennetzwerke).
Die Quantenlichtpulse werden in winzigen, auf Chips integrierten Wellenleitern erzeugt und verarbeitet [2]. Ein zentrales Bauteil ist unser Quantenpulsgatter, 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.
Quantenpulsgatter
Das Quantenpulsgatter (QPG) basiert auf dispersionsangepasster Summenfrequenzerzeugung in einem Wellenleiter. Ein Quantenlichtsignal und ein heller Laserpuls haben im Wellenleiter die gleiche Gruppengeschwindigkeit. Durch Formen des komplexen Spektrums des Laserpulses entscheiden wir, welcher Teil des Quantenlichts konvertiert wird.
Das ermöglicht es uns, eine breite Klasse von Anwendungen zu untersuchen. Beispiele sind die Charakterisierung von Quantenlichtpulsen (FIREFLY) [3], Multi-Kanaldetektoren (multi-output QPG) [4] oder superaufgelöste Zeit- und Frequenzmessungen [5]. Wir arbeiten kontinuierlich daran, die Einsatzmöglichkeiten unserer Quantenpulsgatter zu erweitern und unsere Bauteile kleiner und effizienter zu machen.
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 [6].
Hiermit lassen sich neue Anwendungsfelder erschließen, Sensoren miniaturisieren und günstiger machen und Messgenauigkeiten verbessern.
Quantenkommunikation
Wir untersuchen hochdimensionale Quantenkommunikation mit Frequenzkodierungen. Das bedeutet einerseits, dass wir Information anstatt von in Bits (0 oder 1) in sogenannte Dits (0, 1, …, d-1) kodieren. Dabei überträgt jedes Photons mehr Information und die Verschlüsselung wird sicherer. Es bedeutet andererseits auch, dass wir verschiedene Frequenzen als “Buchstaben” verwenden. Das heißt, dass wir in der Lage sein müssen, Überlagerungen dieser Frequenzen zu messen. Hier verwenden wir das oben beschriebene multi-output QPG.
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 Ergebnisse aus den anderen Bereichen: Quantenlichtquellen mit extremer Zeit-Frequenz-Verschränkung; das Verschalten von Frequenzen in QPGs [7]; schließlich das Zählen und Korrelieren von Photonen in den einzelnen Ausgängen.
Diese Toolbox realisiert sehr effizient programmierbare Quantennetzwerke [8]. Wir benötigen hierfür nur zwei Wellenleiter und können bei hohen Taktraten arbeiten. Unser Ansatz kann bei der Entwicklung von skalierbaren Quantennetzwerken für Quantensimulation und Quantencomputing eine zentrale Rolle spielen.
Ausgewählte Publikationen
[1] B. Brecht et al., “Photon Temporal Modes: A Complete Framework for Quantum Information Science”, Phys. Rev. X 5, 041017 (2015); DOI: https://doi.org/10.1103/physrevx.5.041017
[2] V. Ansari et al., “Tailoring nonlinear processes for quantum optics with pulsed temporal-mode encodings”, Optica 5, 534-550 (2018); DOI: https://doi.org/10.1364/optica.5.000534
[3] A. Bhattacharjee et al., “Frequency-bin interferometry for reconstructing electric fields with low intensity”, arXiv:2504.08607 (2025); DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2504.08607
[4] 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: https://doi.org/10.1103/prxquantum.4.020306
[5] V. Ansari et al., “Achieving the Ultimate Quantum Timing Resolution”, PRX Quantum 2, 010301 (2021); DOI: https://doi.org/10.1103/prxquantum.2.010301
[6] F. Roeder et al., “Toward integrated sensors for optimized opticla coherence tomography with undetected photons”, Phys. Rev. Applied 25, 034031 (2026); DOI: https://doi.org/10.1103/cwsx-42c4
[7] S. De et al., “Realization of high-fidelity unitary operations on up to 64 frequency bins”, Phys. Rev. Research 6, L022040 (2024); DOI: https://doi.org/10.1103/physrevresearch.6.l022040
[8] 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: https://doi.org/10.1103/prxquantum.5.040329
Aktuelle Publikationen aus der Gruppe Quantenphotonik
Toward integrated sensors for optimized optical coherence tomography with undetected photons
F. Roeder, R. Pollmann, V. Quiring, C. Eigner, B. Brecht, C. Silberhorn, Physical Review Applied 25 (2026).
Quantum-limited detection of the arrival time and the carrier frequency of time-dependent signals
P.F. Folge, L.M. Serino, L. Mišta, B. Brecht, C. Silberhorn, J. Řeháček, Z. Hradil, Optica 13 (2026).
Practical considerations for assignment of photon numbers with SNSPDs
T. Schapeler, I. Mischke, F. Schlue, M. Stefszky, B. Brecht, C. Silberhorn, T. Bartley, APL Quantum 3 (2026).
Experimental entropic uncertainty relations in dimensions three to five
L.M. Serino, G. Chesi, B. Brecht, L. Maccone, C. Macchiavello, C. Silberhorn, Physical Review A 113 (2026).
Enhancement Of Light-matter Interaction In Topological Waveguides And Resonators
M. Brauckmann, E. Narvaez Castaneda, D. Siebert, B. Brecht, J. Förstner, T. Zentgraf, in: Proceedings of The 15th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics, 2025.
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