Die Lasertechnologie für die Markteinführung von Quantenanwendungen in den Fokus rücken
Die Quantentechnologie – die sich beispielsweise für die Informationsverarbeitung die einzigartigen Eigenschaften subatomarer Teilchen zunutze macht – geht langsam aus den Forschungslaboren in die praktische, kommerzielle Anwendung über. Zu den wichtigsten potenziellen Anwendungsbereichen zählen die Quanteninformatik und die Quantensensorik (für eine hochpräzise Positionsbestimmung und Zeitmessung) sowie industrielle Anwendungen wie die Durchführung chemischer Simulationen zur Entdeckung neuer Materialien und Moleküle. „Durch die Kombination von Quantenverarbeitungseinheiten mit klassischen Supercomputern lassen sich hochkomplexe Optimierungs- und Simulationsaufgaben bewältigen“, erklärt Jussi-Pekka Penttinen, Koordinator von Projekt SEMIQLEAP(öffnet in neuem Fenster) bei Vexlum(öffnet in neuem Fenster) in Finnland.
Laser für industrielle Quantensysteme
Laser sind eine entscheidende Komponente der Quantentechnologie und (neben anderen Anwendungsbereichen) unverzichtbar für die Manipulation, Messung und Kühlung von Quantensystemen. Es handelt sich dabei jedoch nicht um „gewöhnliche“ Laser – quantenspezifische Laser erfordern eine extrem hohe Wellenlängenstabilität und ein ungeheuer geringes optisches Rauschen, um ordnungsgemäß funktionieren zu können, ohne die empfindliche Quantenkohärenz zu stören. Die Quantenlasersysteme werden zudem immer kleiner. Das finnische Unternehmen Vexlum steht an der Spitze dieser Entwicklung. Sein Halbleiterlaser ist so konzipiert, dass er die spezifischen Wellenlängen und hohen Leistungsstufen liefert, die atom- und ionenbasierte Quantensysteme erfordern – allerdings in einer weitaus kompakteren und handlicheren Form als andere, ältere Laseransätze. „Diese Technologie hat sich in wichtigen Quantenexperimenten bewährt“, sagt Penttinen. „Industrielle Quantensysteme erfordern jedoch Laser, die in großen Stückzahlen nach einheitlichen Standards hergestellt werden können und die notwendige Betriebslebensdauer sowie Zuverlässigkeit für ein kommerzielles Produkt aufweisen. Der bahnbrechende nächste Schritt besteht somit in der Überführung dieser Ergebnisse in ein robustes, herstellbares Produkt.“
Europäischer Markt für kritische Laserkomponenten
Dieses Ziel verfolgte das durch den europäischen Innovationsrat(öffnet in neuem Fenster) unterstützte SEMIQLEAP-Projekt. „SEMIQLEAP wurde unter der besonderen Zielsetzung finanziert, die Lücke zwischen bewährtem Laborgerät und skalierbarem industriellen Gerät zu schließen“, bemerkt Penttinen. „Das übergeordnete Ziel war es, die binneneuropäische Versorgung mit kritischen Laserkomponenten zu sichern, auf die die Quantenindustrie angewiesen sein wird.“ Die Neugestaltung der gesamten Produktionskette – von der Entwicklung des Halbleiter-Wafers über den fertigen Verstärkerchip bis hin zum letztlichen Lasersystem – bildete einen wesentlichen Bestandteil des Projekts. Das Ziel war die Entwicklung kompakter Industrielaser parallel zur robusteren und resilienteren Gestaltung der gesamten Produktionskette. „In der Praxis bedeutete das drei Dinge: die Ausweitung der Verstärkerchip-Fertigung auf die Produktion in großen Mengen, die Etablierung automatisierter Verfahren für die Charakterisierung und das Benchmarking, damit jeder Chip einem einheitlichen Standard entspricht, sowie die Integration aller Ergebnisse in kompakte, einsetzbare Lasersysteme“, erklärt Penttinen.
Automatisierte Wafer-Fertigung und Chip-Charakterisierung
In der automatisierten Wafer-Produktion wie auch in der Chip-Charakterisierung wurden Fortschritte erzielt, die in Verbesserungen bei der Effizienz und Qualitätskontrolle resultierten. „Wir konnten eine neue kompakte Hochleistungs-Laserplattform (unsere VXL-Reihe) mit integrierter Elektronik validieren und einen Prototyp des noch kleineren Lasersystems der nächsten Generation entwickeln“, fügt Penttinen hinzu. Das Projekt markiert somit einen bedeutenden Meilenstein auf dem Weg zur Überführung der validierten Laserplattform von Vexlum in die Herstellung von Produkten in großen Mengen. „Die VXL-Reihe ist nun eine validierte Plattform, die für den skalierbaren Einsatz in industriellen Quantensystemen – insbesondere Quantencomputern und optischen Atomuhren – konzipiert ist“, sagt Penttinen. „Wir werden weiter darauf hinarbeiten, dass wir diese Laser in den Mengen bereitstellen können, die für die Ausweitung der Quantenindustrie erforderlich sein werden.“
