Precyzja na poziomie kwantowym

Start-up Germanium Quantum Detectors rozwija detektor fotonowy oparty na germanowym, który jest bardziej opłacalny i elastyczny w zastosowaniu niż tradycyjne produkty. (Obraz: Nico Scheller)

Ze względu na swoje kompaktowe rozmiary, oferuje szeroki wachlarz możliwości zastosowań. Założyciele chcą produkować swoje nowatorskie germanowo-silikonowe fotodetektory również dla producentów z branży autonomicznej jazdy oraz dla sektora medycznego. (Zdjęcie: Nico Scheller)

Zespół założycielski od lewej do prawej: Maurice Wanitzek, Claudia Bett, Dr. Maximilian Scheu i Jakob Finkbeiner. (Zdjęcie: Nico Scheller)

Wysoko wrażliwe czujniki światła są potrzebne między innymi w komunikacji kwantowej, medycynie i autonomicznej jeździe. Naukowcy z Instytutu Technologii Półprzewodników (IHT) na Uniwersytecie w Stuttgarcie opracowali detektor fotonów oparty na germanie, który jest bardziej opłacalny i elastyczny w zastosowaniu niż tradycyjne produkty. Aby uczynić tę technologię dostępną na rynku, czterech młodych naukowców zakłada teraz startup „Germanium Quantum Detectors”.

„LabOne” stoi na niepozornym szarym metalowym sześcianie o długości krawędzi zaledwie ośmiu centymetrów. W obudowie prototypu znajduje się zaawansowana technologia, która ma wyznaczać nowe standardy rynkowe: mikroczip, na którym połączone są cztery tak zwane „Single-Photon Avalanche Diodes” (SPADs). Dzięki bardzo czułemu czujnikowi światła można mierzyć pojedyncze fotony, najmniejsze cząstki światła, oraz dokładny czas ich pojawienia się. Detektory fotonów z krzemu są dziś szeroko stosowane w wielu dziedzinach, między innymi w kamerach 3D nowoczesnych systemów wspomagania jazdy. Co wyróżnia nowo opracowaną technologię, która jest w pełni kompatybilna z standardową produkcją półprzewodników, to użycie niewielkich ilości germanium. Ten materiał pochłania światło w zakresie podczerwieni, co między innymi w autonomicznej jeździe daje duże korzyści: dzięki germanowymi detektorom fotonów można szybciej i dokładniej wykrywać przeszkody na większych odległościach i przy złych warunkach widoczności – co jest ogromnym zyskiem w zakresie bezpieczeństwa.

Detektory fotonów oparte na germanie są bardziej kompaktowe i łatwiejsze w produkcji

Dlaczego takie detektory nie są już powszechnie stosowane? Odpowiedź daje spojrzenie do laboratorium Instytutu Technologii Półprzewodników (IHT) na Uniwersytecie w Stuttgarcie: tam stoi agregat chłodniczy wielkości mini baru, do którego prototyp szacunkowo zmieściłby się około trzydziestokrotnie. Typowe detektory pojedynczych fotonów muszą być chłodzone do prawie -270 stopni Celsjusza, aby zapobiec zakłóceniom sygnałów. Nowy germanowo-silikonowy detektor fotonów osiąga ten sam poziom jakości już przy temperaturach od -10 do -20 stopni. Dzięki temu ma nie tylko znacznie lepszy stosunek kosztów do korzyści, ale także dzięki niewielkim rozmiarom oferuje szeroki zakres zastosowań.

Droga od laboratorium do praktyki

Maurice Wanitzek, który w istotny sposób rozwinął tę technologię w IHT, chce teraz wspólnie z trzema współzałożycielami wprowadzić ją do praktyki. „Podczas mojej pracy doktorskiej wielu partnerów przemysłowych mówiło mi, że produkt ich interesuje i chętnie by go kupili. Jako inżynier, oczywiście, mam marzenie, aby mój wynalazek miał realny użytek i nie trafił do szuflady. Tak narodził się pomysł założenia firmy.” Wanitzek zwrócił się do inicjatywy transferu technologii (TTI GmbH) Uniwersytetu w Stuttgarcie, aby ocenić szanse na sukces. „Wynik dodał mi otuchy, a także przy kolejnych krokach bardzo pomogła mi TTI.” Coach zwrócił mu uwagę na program transferu badań EXIST i pomógł w przygotowaniu aplikacji. Ponadto Wanitzek uczestniczył w warsztatach Centrum Transferu Uniwersytetu (TRACES) dla przyszłych założycieli: „Ten wymiana była bardzo pomocna. A fakt, że musieliśmy zaprezentować nasze pomysły w dziesięć minut, bardzo ułatwił przygotowanie prezentacji na aplikację do programu EXIST,” mówi.

„Wspieramy założycieli i założycielki, oferując dopasowane doradztwo i wsparcie finansowe, aby mogli zrealizować swoje odważne pomysły w praktyce,” mówi profesor Alexander Brem, prorektor ds. transferu i międzynarodowości na Uniwersytecie w Stuttgarcie. „Zespół Germanium Quantum Detectors pokazuje, jak można promować innowacje w dziedzinie przyszłościowej i że warto podjąć krok w kierunku przedsiębiorczości.”

Wsparcie w ramach programu EXIST w wysokości około 1,2 miliona euro na dwa lata daje czteroosobowemu zespołowi założycielskiemu impuls do dalszego rozwoju technologii do poziomu komercyjnego. Założyciele: Maurice Wanitzek, ekspert od mikroelektroniki, projektant układów Jakob Finkbeiner, fizyczka Claudia Bett specjalizująca się w optyce i integracji systemów, oraz dr Maximilian Scheu, specjalista od przedsiębiorczości i ekonomii, mają swoje biuro w IHT. Współpracują również ściśle z Instytutem Mikroelektroniki Stuttgart IMS-CHIPS. W jego wysoce specjalistycznym czystym pomieszczeniu będą na razie produkowane detektory fotonów. Założyciele nadal korzystają z oferty warsztatów TRACES, ostatnio dotyczących prawa przedsiębiorstw.

Z dużą swobodą tworzenia coś nowego

„Podzieliliśmy zadania w zespole zgodnie z naszymi specjalizacjami i uczymy się od siebie niesamowicie dużo,” mówi Claudia Bett. Pomimo oferty z przemysłu zdecydowała się na start-up: „Chcę raczej pracować na własną odpowiedzialność niż być sterowaną z zewnątrz. Wspólne tworzenie czegoś nowego daje dużą swobodę w kształtowaniu.” Pierwsi klienci już są: naukowcy, którzy kilka budynków dalej rozwijają zastosowania kwantowej kryptografii. Ponieważ podstawowe jednostki informacji (kwantowe bity) są przesyłane za pomocą fotonów, potrzebują wysokoczułych czujników światła.

W kolejnej fazie czterech założycieli planuje produkcję dla producentów w dziedzinie autonomicznej jazdy, a w średnim okresie także dla branży medycznej: ich detektory fotonów mogą być na przykład wykorzystywane w spektroskopii podczerwieni. Obecnie zespół prowadzi liczne rozmowy z firmami. Największym wyzwaniem, jak twierdzi Wanitzek, jest znalezienie tylu klientów o podobnych wymaganiach, aby możliwa była opłacalna produkcja: „Mamy nadzieję, że w ciągu pięciu lat osiągniemy zysk – i że dzięki naszemu przykładowi zmotywujemy innych do zakładania własnych firm.”