Quantenradiometrie

Die Arbeitsgruppe Quantenradiometrie erforscht neuartige Konzepte zur Detektion, Verarbeitung und Nutzung extrem schwacher photonischer Signale – vom Einzelphoton bis hin zu korrelierten und verschränkten Quantenzuständen. Im Zentrum stehen supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren (SNSPDs) als Schlüsseltechnologie für hochsensitive Photonik, Quantensysteme und sichere Informationsverarbeitung.

Unsere Forschung verbindet Photonik, Quantendetektion und Elektronik zu durchgängigen Systemansätzen für leistungsfähige und energieeffiziente photonische Technologien. Wir entwickeln nicht nur Detektoren mit höchster Empfindlichkeit, sondern betrachten die gesamte Funktionskette – von der Wechselwirkung des Lichts mit Materie über das sensornahes und energieeffiziente Auslesen bis hin zur intelligenten Verarbeitung der gewonnenen Daten in neuartigen Hardware- und Computerarchitekturen. Ziel ist es, ultrasensitive Detektion gezielt mit adaptiver und vertrauenswürdiger Informationsverarbeitung zusammenzuführen.

Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Schnittstelle von Biophotonik, Quantentechnologien und hardware-naher Künstlicher Intelligenz. Aufbauend auf SNSPD-basierten Detektionsplattformen entwickeln wir Konzepte, die photonische und elektronische Funktionalität gezielt koppeln. Dieser Ansatz schließt auch memristive und quantenmemristive Bauelemente als Grundlage zukünftiger ultra-energieeffizienter Hardware für Anwendungen in der medizinischen Diagnostik, den Lebenswissenschaften und der sicheren Informationsverarbeitung ein.

Dr. Nan Du

Arbeitsgruppenleiterin
+49 3641 206117
nan.du@leibniz-ipht.de

Ausgewählte Forschungsthemen

Ultraschnelle Detektion einzelner Photonen mit supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonendetektoren (SNSPDs) mit hoher Effizienz, niedriger Dunkelzählrate und exzellenter Zeitauflösung

Kopplung von SNSPDs mit Quantum-Memristoren für energieeffiziente, hardware-nahe KI in der medizinischen Diagnostik und den Lebenswissenschaften

Erzeugung und Detektion polarisationsverschränkter Photonenzustände für Anwendungen in der Quantenkommunikation und in sicheren Kommunikationssystemen

Anwendungsbereiche

Detektion

Wir entwickeln Plattformen zur Erfassung extrem schwacher optischer Signale auf Basis supraleitender Nanodraht-Einzelphotonendetektoren (SNSPDs). Im Fokus stehen die physikalischen Prozesse der Signalentstehung sowie die Optimierung von Detektionseffizienz, Dunkelzählrate, Zeitauflösung, Zählrate und Polarisationsabhängigkeit. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf integrierten und arraybasierten Einzelphotonendetektoren für Anwendungen in der Biophotonik, der quantitativen Spektroskopie und der Quantentechnologie.

Energie

Die Arbeitsgruppe untersucht, wie sich ultrasensitive Photonendetektion mit neuartigen photonischen und elektronischen Bauelementen zu energieeffizienten Gesamtsystemen verbinden lässt. Im Mittelpunkt steht die enge Kopplung von Detektion, Auslese, Signalverarbeitung und intelligenter Datenverarbeitung. Hierfür entwickeln wir Konzepte an der Schnittstelle von SNSPDs, Wellenleitern und quantum-memristiven Bauelementen für in-memory computing, adaptive Signalverarbeitung und hardware-nahe KI. Ziel sind kostengünstige ultra-low-power Systeme für die medizinische Diagnostik und die Lebenswissenschaften.

Sicherheit

Wir entwickeln Konzepte für vertrauenswürdige photonische und quantentechnologische Systeme. SNSPDs bilden dabei eine Schlüsseltechnologie für Quantum Key Distribution (QKD), photonische Quantennetzwerke und die Detektion nichtklassischer Lichtzustände. Im Fokus stehen Polarisationsabhängigkeiten, bauelementbedingte Variationen und Kopplungseffekte in optischen Empfangsmodulen. Darüber hinaus arbeitet die Gruppe an Entanglement Generation und präziser Einzelphotonendetektion für sichere Kommunikation und neue quantenbasierte Hardwarekonzepte.

Anwendungsbeispiele

Ultrasensitive Biophotonik und medizinische Diagnostik

Hardware-nahe neuromorphe Systeme

Sichere Quantenkommunikation und Quantum Key Distribution

SEM images of four NbN-based SNSPD pixels