Quantum Ghost Imaging - Fernerkundung mittels verschränkter Photonen: Quantenoptische Anwendungsforschung am IOSB - Fraunhofer IOSB
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2/2019
Quantum Ghost Imaging
Fernerkundung mittels verschränkter Photonen:
Quantenoptische Anwendungsforschung am IOSB
Fraunhofer IOSB
Die Quantenmechanik ist
eine der folgenreichsten Er-
rungenschaften der Mensch-
heit. Sie schafft Verständnis
für Atome, Moleküle, Fest-
körper und vieles mehr, und
ohne Quantentechnologie
wäre unsere heutige Informa-
tionsgesellschaft undenkbar.
So beruhen etwa Halblei-
terchips, LEDs und Laser auf QGI-Aufbau am IOSB. Ein spezieller Kristall (r.) erzeugt aus Laserlicht verschränkte Photonenpaare;
Quanteneffekten. der sichtbare Anteil wird mit einem Silizium-Chip (l.) räumlich aufgelöst detektiert.
Während dabei Eigenschaften kollektiver Quantensys- System und eröffnen damit die Möglichkeit, klassische
teme zum Tragen kommen, können mittlerweile auch Bildgebung qualitativ zu übertreffen«, sagt der Physiker
einzelne Quantenzustände gezielt präpariert und ge- Dominik Walter aus der Abteilung Optronik (OPT). »Für
nutzt werden. Auch dieser »zweiten Quantenrevoluti- uns als Fraunhofer IOSB steht dabei im Fokus, die Abbil-
on« werden disruptive Veränderungen in Wissenschaft, dung über größere Strecken, also weit jenseits eines La-
Wirtschaft und Gesellschaft zugetraut. Unter anderem bortischs, zu realisieren.« QUILT ist Ende 2017 gestartet,
werden neuartige Detektions- und Abbildungsverfah- mittlerweile positiv zwischenevaluiert und soll im dritten
ren möglich. Die bislang eher akademischen Konzepte Quartal 2020 abgeschlossen werden.
zu anwendungsnahen Technologiedemonstratoren wei-
terzuentwickeln ist die Mission des Leitprojekts QUILT –
Quantum methods for advanced imaging solutions. Stichwort »Leitprojekt«
Mit ihren Leitprojekten setzt die Fraunhofer-Gesell-
Das Fraunhofer IOSB als eines von sechs beteiligten In- schaft strategische Schwerpunkte, um konkrete
stituten arbeitet am Thema »Quantum Ghost Imaging« Lösungen zum Nutzen der Wirtschaft zu entwickeln
(QGI), der Bildgenerierung mithilfe verschränkter Photo- und wissenschaftlich originäre Ideen schnell in
www.iosb.fraunhofer.de
nenpaare und ihrer ganz besonderen Eigenschaften. Ver- marktfähige Produkte umzusetzen. Jeweils bis zu
einfacht gesagt: Detektiert man das eine Photon, erfährt 9 Millionen Euro stehen über drei bis vier Jahre zur
man dadurch etwas über das andere; dabei können die Verfügung. Das Fraunhofer IOSB koordiniert das
beiden Photonen unterschiedliche Wellenlängen haben. Leitprojekt ML4P (Machine learning for production)
Somit wird es möglich, eine Szene mit Licht im Infrarot- und ist an den Projekten QUILT, COGNAC (Cognitive
bereich zu beleuchten, das gegenüber Störeinflüssen der agricuture) und MED²ICIN (Medical data driving an
Atmosphäre relativ unempfindlich ist, während man für integrated cost-intelligent model) beteiligt.
die Detektion im bildgebenden Sensor den dafür weit
besser geeigneten sichtbaren Bereich nutzt. »Wir verei-
nen also die Vorteile zweier Spektralbereiche in einem Autor: Ulrich Pontes. Foto: Manfred Zentsch
Sensordatenserver FROST® auf dem Vormarsch
Fraunhofer Open Source SensorThings API Server oder kurz FROST® heißt eine Software für das Internet
der Dinge (IoT), die derzeit immer mehr Anwender vom Wassersensorik-Spezialanbieter bis zu Stadt-
verwaltungen und Behörden findet. Drei Fragen an den FROST®-Entwickler Dr. Hylke van der Schaaf aus
der Abteilung Informationsmanagement und Leittechnik (ILT) des Fraunhofer IOSB.
effizient nutzen zu können, sind Standards un-
gemein hilfreich. Das Open Geospatial Consorti-
um (OGC) hat mit der »SensorThings API« einen
solchen veröffentlicht. Und weil dieser Standard
uns gut und zukunftsträchtig erschien, haben
wir beschlossen, ihn zu implementieren. Ziel war
eine leistungsfähige, ressourcenschonende Ser- einzelne IoT-Devices, die mit dem Server kom-
versoftware für Anwendungen im Forschungs- munizieren sollen, und ein FROST®-Dashboard
umfeld wie auch in kommerziellen Projekten. für leicht zu handhabende Visualisierungen und
Der Nachfrage nach zu urteilen, ist unser Plan Auswertungen.
aufgegangen.
FROST® ist Open Source – warum?
Was kann man damit konkret machen?
Eine offene Implementierung passt natürlich
Mit FROST® lassen sich Daten beliebiger Sensor- besser zu einem offenen Standard. Zudem sind
netzwerke in Echtzeit sammeln, um sie jederzeit wir eine Forschungseinrichtung. Statt Software
schnell verfügbar zu haben und alle Arten von zu verkaufen, unterstützen und beraten wir lie-
Auswertealgorithmen anzudocken. Ob es dabei ber FROST®-Anwender wie die Stadt Hamburg
Dr. Hylke van der Schaaf um weiträumige Umweltdaten oder Smart-Buil- in ihren konkreten Projekten. Das Open-Source-
ding-Ansätze, um Stromverbräuche, Temperatur- Modell bringt uns näher an die Nutzer, was uns
Herr van der Schaaf, was genau ist FROST®? verläufe oder den Straßenverkehr geht, ist egal. viele Ideen liefert, wie wir FROST® besser ma-
Die Stadt Hamburg plant beispielsweise, FROST® chen können. Die Nutzer sind auch eher geneigt,
Das Internet der Dinge vernetzt räumlich ver- für all die genannten Bereiche einzusetzen, um Fehler zu melden oder selber Verbesserungen zu
teilte Sensoren und Aktoren, und zwar poten- die Smart-City-Idee zu verwirklichen. Übrigens implementieren. Das hilft uns wiederum in Pro-
ziell sehr viele und sehr unterschiedliche. Um gibt es abgesehen von der Serversoftware auch jekten, in denen wir FROST® selber einsetzen.
die anfallenden Daten strukturiert sammeln und noch FROST®-Bibliotheken für Clients, also für Die Fragen stellte Ulrich Pontes. Bild: © Fraunhofer
FROST® im Praxiseinsatz: Wer nutzt die Softwareplattform?
Smart City Hamburg: Im tätsmessungen mit etwa 1.500 verschiedenen maß und Auswirkungen zu bekommen, gilt
Rahmen ihrer Digitalstrategie chemischen Substanzen, die an über 18.000 es, sehr heterogene Daten in die Auswertung
führt die Hansestadt verschie- Messstellen erfasst werden. Derzeit wird die einzubeziehen: Neben Wetterstationen kön-
denste Daten in der Urban Data Platform Nutzung von FROST® für die Verwaltung und nen etwa auch Postings in sozialen Medien
Hamburg zusammen. Neuerdings fließen auch den leistungsfähigen Zugriff auf diese Daten wichtige Hinweise liefern. FROST® ist dabei ein
Sensordaten ein, etwa zur Auslastung von untersucht. Die bisherigen Ergebnisse sind zentraler Baustein.
E-Auto-Ladestationen oder zur Verfügbarkeit sehr vielversprechend.
von City Bikes an den Ausleihstationen. Für
das Handling dieser Echtzeitdaten nutzt die beAWARE: In dem EU-ge- IoTOS GmbH: Das Water
Urban Data Platform FROST®. förderten Konsortialprojekt, an Quality Portal ist ein indus-
dem das Fraunhofer IOSB trielles Angebot zur Erfas-
Bureau de Recherches Géo- beteiligt ist, soll eine integrierte Lösung für sung und Visualisierung von Messwerten zur
logiques et Minères (BRGM): Vorhersage, Frühwarnung und Notfallma- Zustandsüberwachung der Wasserqualität
Die wichtigste öffentliche Ein- nagement bei extremen Wetterereignissen in Flüssen, Seen und Meeren. Es basiert
richtung in Frankreich für geowissenschaftli- entwickelt werden. Um bei Hitzewellen, Wald- auf IoT-Applikationen und -Services der
che Anwendungen verfügt über einen Daten- bränden oder Überschwemmungen einen IoTOS-Suite, in die auch der FROST®-Server
bestand von über 136 Millionen Wasserquali- schnellen und präzisen Überblick über Aus- des Fraunhofer IOSB eingebunden ist.Neue Geschäftsfelder für das Fraunhofer IOSB
Das Fraunhofer IOSB hat 15 wissenschaft- Die fünf Geschäftsfelder entstanden 2010, als Marktsituation im Blick zu haben und uns so
liche Abteilungen mit jeweils spezifischen das Fraunhofer IOSB aus der Fusion seiner bei- aufzustellen, dass wir die Bedürfnisse unserer
Kompetenzen. Während diese Abteilun- den Vorläufer-Institute hervorging: des Fraun- Kunden optimal adressieren können«, erklärt
gen aus der Innenperspektive die wesent- hofer-Instituts für Informations- und Daten- Institutsleiter Prof. Jürgen Beyerer. »Insbe-
lichen Organisationseinheiten sind, bilden verarbeitung IITB und des Forschungsinstituts sondere freut mich, dass wir mit dem Ge-
aus Außen- oder Kundensicht die fünf Ge- für Optronik und Mustererkennung der For- schäftsfeld Künstliche Intelligenz und Auto-
schäftsfelder die maßgeblichen Einheiten. schungsgesellschaft für Angewandte Natur- nome Systeme nun eine klare Zuordnung für
Sie bündeln die Abteilungskompetenzen wissenschaften. Nun haben die Leitungsgremi- diese Zukunftsthemen haben, in denen unser
mit Blick auf bestimmte Märkte und Tech- en des Instituts diese Struktur neu überdacht Institut traditionell stark ist.«
nologiefelder, sie kanalisieren und trans- und den inhaltlichen Zuschnitt der Geschäfts-
portieren die Forschungsergebnisse hin felder neu definiert (siehe Übersicht). »In die- Weitere Infos und Ansprechpartner:
zum Anwender. sem Prozess war für uns wichtig, die aktuelle www.iosb.fraunhofer.de
Automatisierung Inspektion Energie-, Umwelt- Künstliche Intelligenz Verteidigung
und Digitalisierung und Optronische Systeme und Sicherheitssysteme und Autonome Systeme
Fraunhofer IOSB auf der Hannover Messe
platz für Produktionskapazitäten erprobt werden soll. So ließen sich die
smarter Fabriken. Es dürfte eine wich- Chefs beider Organisationen, Henning
tige Rolle bei der während der Messe Banthien (großes Foto, l.) und Richard
verkündeten Vertiefung der Kooperati- Soley (r.), vor dem Stand des SFW
on zwischen Plattform Industrie 4.0 in bestem Einvernehmen ablichten.
und Industrial Internet Consortium
spielen: Es gilt als potenzielles »joint Mehr über die Exponate erfahren Sie
testbed«, an dem der Brückenschlag in unseren Messevideos:
2019 war das Fraunhofer IOSB auf der zwischen beiden Herangehensweisen s.fhg.de/Youtube-IOSB
Industrie-Weltleitmesse in fünf Hallen
präsent, zum großen Teil mit eigenen
Exponaten im Rahmen von Ständen
strategisch wichtiger Kooperationspart-
ner. Die Themen reichten von Industrie-
4.0-Retrofitting über IT-Sicherheit in der
Produktion bis zur Echtzeitkommunika-
tion mittels offener Standards. Auch das
zentrale Exponat am Stand des Bundes-
amts für Sicherheit in der Informations-
technik (BSI) stammte aus Karlsruhe
(kleines Foto).
Besondere Beachtung fand das Exponat
Smart Factory Web (SFW), ein Markt-Impressum Layout:
www.atelier-bruns.de
InfOSB erscheint etwa vier Mal jährlich und kann kostenlos abonniert werden.
Bestellungen, Abbestellungen und Adressänderungen bitte an Druckerei:
publikationen@iosb.fraunhofer.de. Stork Druckerei GmbH, 76646 Bruchsal
Der Druck des InfOSB erfolgt auf Recycling-Papier.
Herausgeber:
Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB
Alle Rechte vorbehalten. Elektronische und drucktechnische Vervielfältigungen dieses
Fraunhoferstr. 1, 76131 Karlsruhe
Newsletters oder von Teilen daraus sind ausschließlich für den persönlichen Gebrauch
Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. habil. Jürgen Beyerer
gestattet. Alle darüber hinaus gehenden Verwendungen, insbesondere die kommerzielle
Nutzung und Verbreitung, bedürfen der schriftlichen Genehmigung.
Redaktion:
Ulrich Pontes, Fraunhofer IOSB, presse@iosb.fraunhofer.de www.iosb.fraunhofer.de
Neue Ansätze GUIDELines Systemtheorie
zur Objekterkennung für den Datenschutz Sicherheit
Das Buch »Hierarchical Was gilt es in Sachen Soziotechnische Syste-
Perceptual Grouping for Datenschutz bei For- me sind komplex. Ihre
Object Recognition. Theo- schungsprojekten zur Sicherheit zu gewähr-
retical Views and Gestalt- Mensch-Maschine- leisten, involviert viele
Law Applications« von Interaktion zu beach- Disziplinen. Bislang fehlt
Dr.-Ing. Eckart Michaelsen ten? Welche Maßnah- eine einheitliche theo-
und Dr.-Ing. Jochen men zur Datensicher- retische Grundlage, um
Meidow, beide Forscher heit sind nötig? Was die Sicherheit solcher
am Fraunhofer IOSB, bietet erstmals einen muss dokumentiert werden? Fragen wie diese Systeme zu beschreiben und zu quantifizie-
einheitlichen Ansatz für verschachtelte hierar- beantworten die Leitlinien, die das Fraunhofer ren. Die acatech befasst sich seit einigen Jah-
chische Wahrnehmungsgruppierungen nach IOSB und die Fachhochschule Bielefeld im Rah- ren eingehend mit dieser Fragestellung. Dar-
Gestaltgesetzen. Damit bietet die im Springer- men des BMBF-geförderten Projekts »Die Eu- aus ist der interdisziplinäre Band »Beiträge zu
Verlag erschienene Arbeit neue Impulse und ropäische Datenschutz-Grundverordnung und einer Systemtheorie Sicherheit« entstanden,
Methoden für Studierende, Forschende sowie ihre Bedeutung für deutsche Forschungspro- herausgegeben von Prof. Jürgen Beyerer,
Ingenieurinnen und Ingenieure, die im Bereich jekte zu Aspekten der Mensch-Technik-Inter- Institutsleiter des Fraunhofer IOSB, und Prof.
der Mustererkennung tätig sind. aktion« (GUIDE) herausgegeben haben. Petra Winzer, Bergische Universität Wuppertal.
http://s.fhg.de/HPGfOR www.guide-projekt.de http://s.fhg.de/systheorie-sicherheit
Projekt des Jahres: Messen & Veranstaltungen
Optische Schüttgutsortierung
23.5.–15.8. 1.7.–3.7.
Die Forschungs-Gesellschaft Verfahrens- Kunstausstellung »Impressionistische Workshop on Non-Kolmogorov
Technik e.V. (GVT) hat das Forschungsprojekt Fotografien von Hans-Joachim Conrad« Turbulence and Associated Phenomena,
»Verbesserung optischer Schüttgutsortierung im Fraunhofer IOSB Karlsruhe Fraunhofer IOSB Ettlingen
durch simulationsgestützte Entwicklung von 25.5. 1.7.–4.7.
Trackingverfahren« zum Projekt des Jahres Thüringen Digital – Festival für Zukunft 14th International IR Target and Back-
2019 gekürt. Dabei wurden die herausra- und Innovation, Erfurt ground Modeling & Simulation Workshop,
genden Ergebnisse, die Qualität der Bearbei- Fraunhofer IOSB Ettlingen
19.6.
tung sowie die Auswirkungen für kleinere
Aktionstag 50 Jahre Informatik, 29.10.–31.10.
und mittlere Unternehmen gewürdigt. Das
Karlsruher Institut für Technologie IoT Solutions World Congress Barcelona
Verfahren wurde in Kooperation mit der Uni-
19.6. 23.10.–24.10.
versität Bochum und dem Karlsruher Institut
Symposium »smood – smart ML4CPS – Machine Learning for Cyber-Physi-
für Technologie entwickelt; die Projektleitung
neighborhood«, Jena cal Systems, Fraunhofer IOSB-INA Lemgo
hatte Dr.-Ing. Robin Gruna, Bearbeiter war
Georg Maier (beide aus der Abteilung Sicht-
prüfsysteme, SPR). Detaillierte Infos: www.iosb.fraunhofer.de -> VeranstaltungenSie können auch lesen
