Photonen können Information tragen und eignen sich daher für eine Vielzahl von Informationsverarbeitungsaufgaben – von Sensorik und Bildgebung bis hin zu Kommunikation und Rechnen. Unsere Forschungsgruppe beschäftigt sich mit dem Entwurf und der Entwicklung neuartiger photonischer Hardware für quantenbasierte und neuromorphe Informationsverarbeitungssysteme. 

Im Kontext unsere Forschung beschäftigen wir uns mit folgenden Schwerpunkten:

• Optische neuronale Netzwerke
• Nichtlineare Nanophotonik
• Hybride quantenoptische Systeme

Neuromorphe Photonik

Analyse optischer neuronaler Netzwerke, die Licht für energieeffiziente und schnelle Berechnungen direkt einsetzen

Im Bereich der neuromorphen Photonik konzentrieren wir uns auf die Entwicklung diffraktiver neuronaler Netzwerke (Diffractive Neural Networks, DNNs). Dabei handelt es sich um optische Systeme, die neuronale Berechnungen analog und direkt mit Lichtsignalen durchführen. DNNs bestehen typischerweise aus mehreren aufeinanderfolgenden diffraktiven optischen Schichten, wie z. B. Metasurfaces, die die Ausbreitung und Beugung von Licht gezielt steuern. Durch die Kombination von nanophotonischen Designmethoden und Machine-Learning-Ansätzen entwickeln und realisieren wir DNNs für spezifische neuromorphe Rechenaufgaben. Ein typisches Anwendungsbeispiel ist die Bildklassifikation, bei der ein Großteil der Informationsverarbeitung direkt im optischen System erfolgt – noch bevor das Licht detektiert und digital weiterverarbeitet wird. Optische neuromorphe Rechensysteme besitzen das Potenzial, Berechnungen mit geringerem Energieverbrauch, niedriger Latenz und höherem Durchsatz als konventionelle digitale Elektronik durchzuführen.

Quantenphotonik

Untersuchung photonischer Hardware, die Quanteneffekte wie Superposition und Verschränkung für skalierbare Quantensysteme nutzt

Im Bereich der Quantenphotonik arbeiten wir an der Entwicklung neuer Hardwarekonzepte für photonische Quantentechnologien. Diese Technologien nutzen quantenmechanische Eigenschaften von Photonen, wie Superposition und Verschränkung, um eine neue Generation von Systemen für Rechnen, Kommunikation und Sensorik mit verbesserter Leistungsfähigkeit und grundlegend neuen Funktionalitäten zu ermöglichen. Der Schwerpunkt unserer Aktivitäten liegt auf Quantenlichtquellen, die in nichtlinearen photonischen Systemen erzeugt werden und eine zentrale Komponente aller photonischen Quantentechnologien darstellen. Insbesondere untersuchen wir nanophotonische Systeme, wie nichtlineare Metasurfaces, zur gezielten Erzeugung verschränkter Photonenpaare. Darüber hinaus erforschen wir hybride Systeme, die nichtlineare Quantenlichtquellen mit atomähnlichen Systemen kombinieren, um neuartige Hardwarefunktionalitäten für photonische Quantentechnologien zu realisieren. Unser zentrales Ziel ist die Entwicklung von Hardwarelösungen, die eine skalierbare Implementierung photonischer Quantensysteme ermöglichen und damit einen wichtigen Schritt in Richtung anwendungsreifer Quantentechnologien darstellen. Zur Analyse dieser Systeme entwickeln wir zudem neue theoretische Modelle sowie innovative Design- und Simulationsansätze.