Das Infrastruktur-Team 3 befasst sich mit der Modellierung von komplexen photonischen Quantensystemen und deren Bauelementen, insbesondere im Hinblick auf effiziente Simulation, Entwurf und Optimierung. Die Modellierung soll zum einen auf die photonischen und elektronischen Bauelemente fokussieren. Methoden umfassen hier die Modellierung von photonischen Bauelementen mittels FDTD, FDE, FEM (z.B. mit Lumerical, CST), die Modellierung von elektronischen Bauelementen und Schaltungen mittels SPICE und passiven elektromagnetischen Komponenten mittels FEM, FDTD und Momenten-Methode (z.B. Cadence Virtuoso, ADS Momentum und RFPro, CST), sowie thermische Simulation.

Neben der Modellierung auf Bauelemente-Ebene wird die Simulation komplexer elektronisch-photonischer Quantensysteme angestrebt. Hierbei müssen für die effiziente Simulation Abstriche bei der Genauigkeit der Modelle (à Kompakt-Modellierung) gemacht werden und weitere Signalisierungsebenen und Modellierungsebenen hinzugenommen werden (Logiksignale, Verhaltensmodellierung mit zeitschrittgesteuerten und ereignisgesteuerten Hardware-Beschreibungssprachen, phänomenologische statt physikalische Modellierung u.a.). Für die Modellierung komplexer photonischer Schaltungen können z.B. Lumerical Interconnect und Verilog-A-Modelle von optischen Komponenten verwendet werden. Möglichkeiten für die Simulation von photonischen Quantenschaltungen bieten zum Beispiel die Python-Bibliotheken Strawberry Fields (Xanadu Quantum Technologies), Qiskit (IBM), Cirq (Google), und The Walrus (Xanadu Quantum Technologies), wobei der Fokus bei Letzterem auf Boson-Sampling liegt. Darüber hinaus können eigene Programmcodes entworfen werden, um Fragestellungen zu photonischen Bauelementen zu bearbeiten.

Für Modellierung, Entwurf, Simulation und Optimierung von komplexen photonischen, sowie elektronischen niederfrequenten und elektronischen hochfrequenten Schaltungen werden Entwurfsumgebungen wie Cadence Virtuoso und Keysight ADS, die hybride Modellierung und Co-Simulation erlauben, verwendet. Die hybride Modellierung und Co-Simulation von komplexen elektronisch-photonischen Systemen mit zusätzlich digitalen Komponenten ist mit Cadence Virtuoso möglich.

Zur mikroskopischen Beschreibung photonischer Quantensysteme wie diskreter Quantenemitter mit Kopplung an optische Resonatoren und Wellenleiter, sowie grundlegender funktionaler Elemente integrierter photonischer Netzwerke, werden Dichtematrix-Vielteilchentheorien und Näherungsmethoden entwickelt. Diese werden auf die jeweilige Problemstellung optimal angepasst und mit selbstentwickelten, parallelisierten Computercodes auf unseren Hoch- und Höchstleistungsrechnern numerisch gelöst. Die prädiktive Beschreibung offener Quantensysteme mit Kopplung an photonische und Festkörperumgebung inklusive Defekten und Unordnung stellt dabei eine besondere theoretische und numerische Herausforderung dar.

Aufgaben des IST 3 umfassen darüber hinaus die Maintenance der Simulations- und Entwurfssoftware, Bauteile-Bibliotheken des PhoQS, sowie Process Design Kits kommerzieller Foundries auf Servern des IST 3. Für die Versionsverwaltung von Programmcodes wird die Software git genutzt, welche angebunden an netzbasierte Dienste, wie zum Beispiel die GitLab-Instanz der Universität Paderborn, zum ausführlichen Dokumentieren, gemeinsamen Bearbeiten und zum Bereitstellen von Programmcodes genutzt werden kann. Doktoranden anderer Gruppen können angeleitet werden bzw. Schulungen können vermittelt werden. Die Server des IST 3 werden erworben oder als cloudbasierter Service (z.B. von IMT, PC2 oder AWS) gemietet.

Das Team besteht aus 2 Postdocs und 1 Techniker.

Ausstattung:

Software: Linux (Ubuntu o. RedHat), Lumerical, Keysight ADS, Cadence Virtuoso, CST Microwave Studio, …

Server: Linux-Server in der Cloud oder auf eigener Server-Hardware. Leistungsfähige Workstations der beteiligten Arbeitsgruppen sowie Höchstleistungscomputercluster des Paderborn Center for Parallel Computing (PC²).