„Die Quantenkommunikation wird ihren Markt finden“

Als Leiter des Fraunhofer Instituts für angewandte Optik und Feinmechanik IOF und Direktor des Instituts für Angewandte Physik der Friedrich Schiller Universität Jena hat Prof. Andreas Tünnermann tiefe Einblicke in Technologietrends der Photonik. Im Interview spricht er über die Fusion von Ultrakurzpuls- und Faserlasern, Photonik in der Industrie 4.0 und Marktpotentiale von Quantenimaging und -kommunikation.

Herr Prof. Tünnermann, welche Chancen bieten sich der Photonik in der Industrie 4.0?

Prof. Andreas Tünnermann: Auch in digital vernetzten, automatisierten Produktions- und Logistikketten werden die Flexibilität und Kreativität des Menschen gefragt bleiben. Photonik ist der Schlüssel dafür, dass Maschinen ihr Umfeld über Sensorsysteme überwachen und Menschen sicher erkennen. Nur so ist eine direkte Zusammenarbeit von Mensch und Maschine möglich. Diese sichere, effiziente Mensch-Maschine-Interaktion steht im Fokus der Innovationsallianz 3Dsensation, in der sich fast 100 Partner aus Wirtschaft und Wissenschaft branchenübergreifend zusammengeschlossen haben. Achtzig Prozent der zwischenmenschlichen Kommunikation laufen visuell ab. Wir erfassen die Umwelt dynamisch in 3D und können Gesten und Mimik exakt deuten. Diese Fähigkeiten wollen wir mit optischen Systemen auf Maschinen übertragen. Ziel ist es, dass Mensch und Maschine Hand in Hand arbeiten und Roboter wahre Assistenten werden. Dafür entwickeln wir optische Sensorsysteme, die menschliche Bewegungsabläufe in Echtzeit analysieren und auf Basis von künstlicher Intelligenz vorhersehbar machen. Das ist nicht nur für die Produktion der Zukunft wichtig, sondern auch für autonome Mobilität und die Teilhabe an Lebenswelten bis ins hohe Alter. Die Photonik ist zudem der Wegbereiter der Digitalisierung: Bildgebung, Datenverarbeitung und -kommunikation sind nur unter Nutzung von photonischen Technologien denkbar.

Ihre Institute wirken im EU-Förderprojekt MIMAS* mit, das Ultrakurzpuls-(UKP)- und Faserlaser in einer Technologie-Roadmap zusammenbringt. Mit welchem Ziel?

Tünnermann: Die UKP-Technologie macht rasante Fortschritte und erreicht Leistungsbereiche, die für Wissenschaft und Industrie gleichermaßen interessant sind. Der Physik-Nobelpreis 2018 für Donna Strickland und Gérard Mourou unterstreicht das Gewicht der Technologie. Deren Chirped Pulse Amplification (CPA) ermöglicht die Erzeugung sehr leistungsstarker Pulse. Unser Projekt MIMAS geht in der Tat auf Diskussionen mit Gérard Mourou zurück. Wir überwinden bisherige Grenzen der Leistungsskalierung durch Parallelisierung der Pulsverstärkung. Der Projekttitel „Multidimensional interferometric amplification of ultrashort laser pulses“ birgt unsere Lösung: MIMAS ist ein aktives Interferometer mit mehreren Laserverstärkerkanälen, die zu gigantischen Leistungen zusammengeführt werden. Dabei liegt die Pulsspitzenleistung aber auch die mittlere Leistung des Gesamtsystems weit jenseits der Zerstörschwellen einzelner Verstärker.

Von welchen Leistungen reden wir?

Tünnermann: Aktuell laufen bei uns Systeme mit mittleren Leistungen im Bereich vieler Kilowatt. Durch Methoden der Frequenzkonversion gelingt die Erzeugung leistungsstarker extrem kurzwelliger Strahlung. Diese sogenannten „Secondary Sources“ sind attraktive Quellen für Bildgebung und Materialforschung aber auch für Grundlagenforschung. Sie stellen schon heute eine Alternative zu Synchrotrons und freien Elektronenlasern dar. Wir sind überzeugt, dass die Technologie zum Beispiel in der Lithographie und Metrologie in absehbarer Zeit industrielle Anwendungen finden wird. Über das Fraunhofer Center Advanced Photon Sources (CAPS) stellen wir Nutzern aus Wissenschaft und Wirtschaft Strahlzeit zur Verfügung. Sehr gefragt ist aktuell eine abgeleitete kohärente Quelle bei 13 nm mit mittleren Leistungen im µW-Bereich. Aber auch Fragestellungen zur Skalierung der Materialbearbeitung mit UKP-Lasern stoßen auf Interesse, wobei die Ausgangsleistungen hier im multi-Kilowatt-Bereich bei 1 µm und 2 µm liegen. Unser Spin-off AFS – Active Fiber Systems tritt an, die Technologie mit uns schnellstmöglich in marktgerechte Lösungen zu übersetzen.

Im neuen Fasertechnologiezentrum am Fraunhofer IOF entwickeln Sie Fasern für die nächste Generation von Hochleistungslasern. Welche Ansätze verfolgen Sie?

Tünnermann: Das IOF kooperiert hier mit dem Leibniz-Institut für Photonische Technologien und der Friedrich Schiller Universität, um eine neue Generation optischer Fasern zu entwickeln, die besondere Möglichkeiten zur Kontrolle von Licht eröffnen. Wir sehen uns als Wegbereiter, der Experimente der Grundlagenforschung ermöglicht und Innovationen befördert. Im Fokus stehen aktive Fasern, etwa für die besagte Erzeugung ultrakurzer Hochenergiepulse in Fasern. Hier streben wir homogene Dotierung und reduzierte Degradation bei extremen Modenfeldern und damit geringer Nichtlinearität an. Unser Rekordwert sind aktuell mikrostrukturierte Fasern mit Modenfelddurchmessern von 200 µm, welche beugungsbegrenzte Strahlung bei Wellenlängen um 1 µm führen. Daneben entwickeln wir Konzepte für Transportfasern, die Laserstrahlung mit höchsten Leistungen über große Entfernungen führen. Hier spielt aktuell die Musik. Analog zur Revolution in der Lasermaterialbearbeitung durch die Kombination von Glasfasern mit Festkörperlasern in den 1990er Jahren werden künftig optische Fasern die Energie von UKP-Lasern verteilen und so völlig neue Anwendungen treiben. Das setzt eine Lichtübertragung voraus, bei der der Puls nicht durch Wechselwirkung mit der Faser beeinträchtigt wird. Ein Beispiel sind Hohlkernfasern, die das Licht in Luft führen und so unerwünschte Effekte bei der Übertragung minimieren.

Das Zentrum betreibt einen der leistungsfähigsten Ziehtürme der Welt. Steht er auch externen Interessenten offen?

Tünnermann: (schmunzelt) Unsere Institute nutzen ihn intensiv und gewähren engen Kooperationspartnern natürlich von Fall zu Fall Zugang. Gefragt ist der Turm insbesondere dann, wenn besondere Forderungen an die Präzision der optischen Fasern gestellt sind. Denn er ist seismisch und klimatisch von der Umwelt entkoppelt. Wenn jemand also etwas Besonderes sucht, bitte gern melden.

Neu ist in Jena auch das Innovationszentrum für Quantenoptik und Sensorik – In-QuoSens. Wie ist es ausgerichtet?

Tünnermann: Wir haben mit dem BMBF und weiteren Partnern aus Wirtschaft und Wissenschaft analysiert, wo die Quantentechnologie Mehrwerte für unsere Industrie verspricht. Gerade in Quantenimaging und -sensorik sollten wir als Sensorland am Ball bleiben und unsere Position ausbauen. Hier sind Mehrwerte in der Nutzung von Quantentechnologien absehbar, da beispielsweise die Wellenlänge des Lichts für Analyse und Nachweis getrennt voneinander optimiert werden kann. Aber auch die Quantenkommunikation hat wegen ihres intrinsischen, physikalisch bedingten hohen Sicherheitsniveaus Anwendungspotenzial. Sie wird ihren Markt finden, weil sie Datenhoheit unabhängig von Infrastruktur ermöglicht. Wir treiben momentan mit vielen Partnern ein Projekt voran, in dem wir die sogenannte Quantum-Key-Distribution in reale Kommunikationsinfrastrukturen integrieren. Eine Lichtquelle erzeugt hierbei verschränkte Photonenpaare, die die Grundlage für Krypto-Schlüssel bilden. „Zapft“ ein Dritter die Lichtquelle an, ändert sich der Zustand der verschränkten Photonen. Der Versuch fliegt auf.

Welche Rolle übernehmen Sie in Jena?

Tünnermann: Wir in Jena sehen unsere Rolle ganz wesentlich darin, unser spezifisches Knowhow zur Kontrolle von Licht in quantenphysikalische Experimente der Grundlagenforschung einzubringen, um Dritte zu originärer Forschung zu befähigen und Anwendungen voranzutreiben. Unsere Partner sind außeruniversitäre Forschungseinrichtungen, Universitäten und zunehmend auch Unternehmen, die auf den Gebieten Bildgebung, Sensorik, Kommunikation und Computing arbeiten und dabei Quantensysteme mit Licht adressieren. Wir entwickeln für unsere Partner unter anderem spezielle Photonenquellen aber auch computergenerierte Hologramme, Wellenleiter, Glasfasern und (Mikro-)Optiken zur Kontrolle von Licht. Parallel befassen wir uns mit der Frage des objektiven Nachweises der „Quanten-Mehrwerte“ in realen Anwendungsszenarien. Schon heute können wir sagen, dass sich hier Chancen für unsere mittelständig geprägten Photonik-Unternehmen bieten – sie können eine tragende Rolle bei der 2. Quanten-Revolution übernehmen.

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