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Einzelphotonenquellen und -detektoren

Zu den Emittern basierend auf Gitter-Fehlstellen zählen beispielweise Farbzentren in Diamanten und hexagonal Bornitrat (hBN). Mittels eines konfokalen Mikroskops wird die Mikro-Photolumineszenz-Spektroskopie von Gitter-Fehlstellen-Emittern bei Raumtemperatur durchgeführt.

Weltweit erstmalig wurde an der PTB eine Quelle basierend auf einer Stickstofffehlstelle im Nanodiamanten absolut charakterisiert hinsichtlich ihres spektralen Photonenflusses und spektralen Strahlungsflusses.

Opens external link in new windowArbeitsgruppe Einzelphotonenmetrologie im LENA

Opens external link in new windowArbeitsgruppe Laserradiometrie und Quantenradiometrie

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Die PTB charakterisiert im Rahmen europäischer Forschungsprojekte Einzelphotonenquellen auf Basis von InGaAs-Quantenpunkten. Hierfür steht ein Messplatz zur Verfügung, der mittels eines konfokalen Mikroskops die Mikro-Photolumineszenz-Spektroskopie von Quantenpunkten im nahen Infrarotbereich bei Temperaturen bis zu 4 K erlaubt.

Einzelphotonenquellen basierend auf Halbleiterquantenpunkten sind aus metrologischer Sicht besonders interessant u.a. wegen ihrer schmalbandigen Emission. Sie können in Kombination mit der Bestimmung des absoluten Photonenflusses zur Realisierung definierter Leistungen genutzt werden. Ziel ist die Entwicklung von absoluten Strahlungsnormalquellen, z.B. für die effiziente Kalibrierung von Einzelphotonendetektoren in der optischen Quantentechnologie, sowie für eine mögliche quantenbasierte Realisierung der SI-Basiseinheit Candela.

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Die PTB beschäftigt sich mit der Entwicklung hochpräziser Messverfahren für die Kalibrierung von halbleiterbasierten Einzelphotonendetektoren (Si- und InGaAs/InP-SPAD) hinsichtlich ihrer Detektionseffizienz. Hierfür steht u.a. ein Messplatz auf Basis des „Doppelabschwächer-Prinzips“ zur Verfügung. Darüber hinaus werden weitere für optische Quantentechnologien relevante Parameter der Detektoren metrologisch charakterisiert wie Totzeit, Dunkelzählrate und Nachpulse („after-pulsing“).

Ziel ist die Entwicklung eines Dienstleistungsangebots für die genaue und rückgeführte Kalibrierung von Einzelphotonendetektoren für optische Quantentechnologien.

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Supraleitende Detektoren wie Nanodraht-Widerstände („SNSPD“) und Phasenübergangs-Photoenergiemeter („TES“) eignen sich in besonderer Weise für Anwendungen in der optischen Quantenhochtechnologie. Grund dafür sind Detektionseffizienzen >85 % im Telekom-Bereich (1550 nm), Zählraten im MHz-Bereich bei extrem geringen Dunkelzählraten, sowie je nach Detektortyp totzeitfreie Messungen und die Messung der Anzahl bzw. Energie der detektierten Photonen.

Basierend auf einem magnetischen Kühlsystem (ADR-Kryostat), soll ein Messplatz für den Betrieb quantenoptischer Detektoren bei ultrakalten Temperaturen bis 50 mK aufgebaut werden. Ziele sind Charakterisierung und Vergleich supraleitender Detektoren, sowie die Charakterisierung der Photonenanzahlverteilung ultraschwacher Quellen.

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Die PTB beteiligt sich aktiv an der Entwicklung technischer Normen in der optischen Quantentechnologie, beispielsweise im Bereich Quantenkryptographie im Rahmen der Opens external link in new windowArbeitsgruppe ETSI GS QKD des Europäische Normungsinstituts für Telekommunikation (ETSI). Ein Schwerpunkt ist aktuell die Normenentwicklung mit Blick auf die Spezifikationen optischer Bauteile in Systemen zur Quantenschlüsselverteilung, sowie Messmethoden zu deren Charakterisierung. Aus metrologischer Sicht sind hierbei insbesondere die Rückführbarkeit der Messungen sowie die korrekte Betrachtung der Messunsicherheit von zentraler Bedeutung.

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