Was ist Photonik?

Photonik ist die Wissenschaft des Lichts. Photonen sind die kleinsten Einheiten elektromagnetischer Strahlung. Dadurch haben sie ganz besondere Eigenschaften, die sich technologisch nutzen lassen. In unserem Alltag findet sich Photonik in Form von LEDs in unseren Wohnungen oder in den Glasfaserkabeln, die uns mit Internet versorgen.

Photonik in der Medizin

In der Medizin sind photonische Verfahren nicht mehr wegzudenken. Bildgebende Diagnostik am Körper mittels eines MRT oder Mikroskope im Labor ermöglichen es, Veränderungen an Zellen oder Krankheitserreger frühzeitig zu erkennen. Die Kombination von Photonik mit Künstlicher Intelligenz oder Datenverarbeitung ermöglicht zusätzlich neue Formen der Diagnose und Therapie.

Lebensmittel und Umwelt

In der Lebensmitteltechnik und Umweltanalytik spielen photonische Sensoren eine wichtige Rolle. Sie erkennen Krankheitserreger und Schadstoffe nicht nur im Essen, sondern auch in unserer Umwelt – beispielsweise in der Luft, in Gewässern oder in Pflanzen.

Was sind Photonen?

Photonen sind die kleinsten uns bekannten Bausteine des Lichts oder, anders gesagt, die unteilbaren Energiepakete der elektromagnetischen Strahlung. Die Photonik ist die Wissenschaft, die diese Photonen erforscht und sie in Technologien überführt. Zusammen erscheinen Photonen als Licht- oder Laserstrahl, doch im Labor kann man sie mit Hilfe sogenannter Photonenquellen auch einzeln erzeugen, um sie genauer zu erforschen und zielgenau in neuen Technologien zu nutzen.

Was haben Photonen mit Quanten zu tun?

Photonen sind zugleich Quanten. Vereinfacht gesagt stellt ein Quant eine kleinstmögliche Einheit dar, die nicht weiter unterteilt werden kann. Beispiele dafür sind ein Proton, ein Neutron oder ein Elektron – und eben ein Photon. All diese Bausteine folgen den Gesetzen der Quantenmechanik und haben deshalb besondere Eigenschaften. So kann das Photon zugleich Wellen- und Teilchencharakter haben.

Was sind Quantentechnologien?

Die besonderen Eigenschaften von Quanten machen wir uns in den Quantentechnologien zu nutze. Wie das funktioniert und welche bahnbrechenden Möglichkeiten sich daraus ergeben, erfahren Sie hier.
Da Photonen auch Quanten sind, gehört die Photonik in den Bereich der Quantentechnologien.

Was machen Photonen für Quantentechnologien möglich?

Für die Quantentechnologien ist die Photonik, beziehungsweise die Arbeit mit Photonen als Lichtquanten, ein echter Möglichmacher. Ein Beispiel ist die Quantenkommunikation. Die Quantenkommunikation nutzt verschränkte Quantenzustände zum Schlüsselaustausch in der Datenübertragung (Quantenkryptographie). Verschränkte Quantenobjekte, zum Beispiel Photonen, werden hierbei an zwei verschiedene Orte gesendet. Wenn man dann an beiden Orten bestimmte Eigenschaften der Photonen misst, lässt sich mit Sicherheit feststellen, ob eines der beiden Photonen bereits einmal gemessen wurde. Wenn ja, dann bedeutet das: Die Verbindung wurde abgehört.

Der Grund: Unbekannte Quantenzustände lassen sich nicht kopieren oder störungsfrei vermessen. Störungen der Quantenzustände werden unweigerlich als Fehler in der Übertragung festgestellt und decken den Lauschangriff auf.

Photonikindustrie und -forschung in Deutschland

Photonik ist in Deutschland ein bedeutender Industriezweig. Über 1.000 Unternehmen zählen zu dieser Branche, die 2023 rund 54 Milliarden Euro Umsatz machten. Auch international ist Deutschland eine echte Größe: Rund 40 Prozent der photonischen Produkte in Europa stammen aus Deutschland. Deutsche Unternehmen exportieren in die ganze Welt und sind für viele photonische Bauteile und Technologien Weltmarktführer (Quelle: Spectaris).

Die Forschung in Deutschland ist in diesem Bereich besonders stark. Zahlreiche Universitäten und Hochschulen sowie viele forschende Unternehmen arbeiten jeden Tag daran, photonische Technologien noch besser, zuverlässiger und günstiger zu machen und ganz neue Lösungen für gesellschaftliche Herausforderungen zu finden.

Die Förderung des BMBF im Bereich Photonik

Das BMBF hat die Bedeutung der Photonik für Deutschland früh erkannt und fördert die Photonik-Forschung zielgerichtet. 2022 hat das BMBF die eng verzahnten Forschungsfelder Photonik und Quantentechnologien unter dem Begriff Quantensysteme zusammengeführt, um Synergien zu nutzen und die Vernetzung zwischen den Forschenden zu fördern.

Mit dem Forschungsprogramm Quantensysteme – Spitzentechnologie entwickeln. Zukunft gestalten. Fördert das BMBF Forschungsprojekte sowie weitere Initiativen beispielweise im Bereich Nachwuchsförderung und Fachkräftegewinnung. Informationen zu Fördermaßnahmen und Projekten finden Sie unter www.photonikforschung.de.

Testen Sie Ihr Wissen!

Die Photonik-Forschungsinfrastruktur in der Infektionsforschung stärken

Neu auftretende, aber auch bekannte Infektionskrankheiten und antimikrobielle Resistenzen stellen ernstzunehmende Bedrohungen für die Weltbevölkerung dar. Umso wichtiger ist es, starke Forschungsinfrastrukturen zu schaffen, die die Entwicklung neuer Diagnose- als auch Therapieverfahren für Infektionskrankheiten vorantreiben. Deshalb fördert das BMBF den Aufbau des Leibniz-Zentrums für Photonik in der Infektionsforschung (LPI) in Jena.Erfahren Sie hier weitere Details zum LPI:

Was sind die Ziele des LPI?

Forschende, Gründende, Medizinerinnen und Mediziner können hier zukünftige ihre eigenen Ideen für die lichtbasierte Diagnose, Überwachung und Therapie von Infektionen direkt vor Ort entwickeln. Diese können sie zusammen mit erfahrenen Fachleuten in die Anwendung überführen. Dadurch werden Entwicklungszeiten verkürzt, sodass das Produkt schneller für Therapiezwecke eingesetzt werden kann.Die Photonik hat das Potenzial, die Infektionsforschung und –behandlung deutlich zu verbessern. Denn mit Licht können wir auf zellulärer Ebene verstehen, wie Erkrankungs- und Heilungsprozesse im Körper ablaufen und wie wir diese beeinflussen können. Die Messung mit Licht ist darüber hinaus schnell, kontaktlos und verlässlich. In Kombination mit State-of-the-Art Technologien, wie zum Beispiel KI-basierten Ansätzen, können photonische Verfahren dazu beitragen, zuverlässige und schnelle Aussagen zu den Erregern und der Immunantwort der infizierten Person zu treffen. So können Medizinerinnen und Mediziner sehr viel schneller geeignete Therapiemöglichkeiten ableiten als bisher.

Zeitplan

Vier Einrichtungen sind maßgeblich an der Entwicklung des LPI beteiligt: Das Leibniz-Institut für Photonische Technologien (IPHT), die Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU), das Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung (HKI) und das Universitätsklinikum Jena (UKJ). Die Lichtstadt Jena kombiniert damit geballte Kompetenzen im Bereich der optischen Gesundheitstechnologien sowie der Infektionsforschung. Getragen wird das Zentrum durch die im Mai 2024 gegründete LPI gGmbH. Sie wird den Aufbau koordinieren und alle notwendigen Strukturen und Prozesse für einen erfolgreichen Betrieb der Forschungsinfrastruktur schaffen und erproben.

Die Aufbauphase des LPI erstreckt sich bis 2030. In dieser Zeit soll das Gebäude auf dem Gelände des Universitätsklinikums Jena erbaut werden. Bis zur Inbetriebnahme werden nun bereits die erforderlichen photonischen Basistechnologien erforscht und verwirklicht.

Redaktionsschluss dieses Textes: 01.11.2024