Im Bilde

IQST - oder Quantenphysik gestaltet Zukunft

Die Quantentechnologien gelten in einer zunehmend komplexer werdenden Welt als eine Schlüsseltechnologie.

Leistungssteigerung von Computern oder mehr Datensicherheit, hochempfindliche Messmethoden für Medizintechnik oder Umweltanalytik, neue Materialien für mehr Ressourceneffizienz: Die Quantentechnologie gilt in einer zunehmend komplexer werdenden Welt als eine Schlüsseltechnologie. Das Zentrum für Integrierte Quantenwissenschaft und -technologie in Baden-Württemberg (Center for Integrated Quantum Science and Technology, IQST) ist mit 27 beteiligten Instituten an den Universitäten Stuttgart und Ulm sowie am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung ein internationaler Drehund Angelpunkt: Hier arbeiten Spitzenforscherinnen und -forscher aus den Bereichen Physik mit anderen Disziplinen Hand in Hand und in direkter Kooperation mit der Industrie, um auf der Grundlage quantenphysikalischer Prinzipien zukünftigen Herausforderungen zu begegnen.

 (c) Universität Stuttgart/4. Physikalisches Institut/Dominik Floess

Die interdisziplinäre Verknüpfung exzellenter Grundlagenforschung mit ausgezeichneter angewandter Forschung sowie Industriepartnern soll zahlreichen Konzepten der Quantentechnologie in die technische Anwendung helfen. Die zweite Quantenrevolution zu befeuern, ist auch das Ziel der Flaggschiff-Initiative der Europäischen Kommission zur Quantenforschung und -technologie, die maßgeblich vom IQST mit initiiert wurde. Sie gehört zu den ehrgeizigsten langfristigen Forschungs- und Innovationsinitiativen der EU-Kommission: Die in diesem Jahr angelaufene EU-Förderung soll mit einem Finanzvolumen von 1 Milliarde Euro dazu beitragen, die Spitzenstellung Europas in der Quantenwissenschaft zu stärken.

 

 (c) Universität Stuttgart/5. Physikalisches Institut/Wolfram Scheible

Quantenphysikerinnen und -physiker mit anderen Disziplinen Hand in Hand kontrollieren einzelne Atome, Elektronen und Lichtteilchen, mit denen sich die Funktionen von elektronischen Bauteilen nachempfinden lassen, was die Miniaturisierung der Digitaltechnik voranbringen soll. Die natürlichen Grundbausteine der Materie sind außerdem ideale Sensoren, denn sie reagieren sehr sensibel auf physikalische Reize und erreichen höchste Präzision. Im Laserlabor schafft die Forschergruppe um Prof. Tilmann Pfau, Leiter des 5. Physikalischen Instituts an der Universität Stuttgart und Direktor des IQST, die Grundlage für miniaturisierte Messgeräte. Hier wird experimentell und in noch handhabbarer Größe erprobt, wie sich mithilfe von Lichtteilchen Sensoren ansprechen und auslesen lassen.

 

 (c) Universität Stuttgart/ Max Kovalenko

Was passiert, wenn viele elementare Teilchen wie Atome oder Elektronen zusammenkommen und ein größeres Stück, zum Beispiel einen Festkörper zu bilden? Was muss man beachten, um seine wichtigsten Eigenschaften zu verstehen? Dass das Ganze mehr sein kann als seine Teile, erfahren die Physiker und Physikerinnen im Team von Prof. Maria Daghofer, Leiterin des Instituts für Funktionelle Materie und Quantentechnologien an der Universität Stuttgart, oft schon am Modell. Ziel ist es unter anderem, neue Materialien zu finden, die exotische elektronische Zustände aufweisen und zum Beispiel Phänomene wie Supraleitung oder hohe Thermoelektrizität zeigen. Supraleitung erlaubt es etwa, starke Magnetfelder für Teilchenbeschleuniger, Kernfusionsreaktoren oder Magnetresonanztomographen zu erzeugen, oder extrem schwache Magnetfelder in biologischen Systemen zu messen.

 

 (c) Universität Stuttgart/ Max Kovalenko

Quantenphysikalische Prinzipien werden künftig für die Informationsverarbeitung, -übertragung und die Sensorik ein große Rolle spielen. Dafür machen sich Prof. Jörg Wrachtrup, der das 3. Physikalische Institut der Universität Stuttgart leitet, und Prof. Fedor Jelezko, Leiter des Instituts für Quantenoptik der Universität Ulm, die physikalische Eigenschaft von Diamanten zunutze: Weil sie sehr hart sind, schirmen sie die atomaren Defekte so gut ab, dass sich Quantenzustände bei Raumtemperatur präparieren lassen. Um hochreine Diamanten auf atomarer Skala zu manipulieren, werden Stickstoffatome in das Material geschossen, die den Platz von Kohlestoffatomen einnehmen. Dieser gewünschte „Defekt“ hat eine magnetische Komponente. Solchermaßen mit einem magnetischen Barcode versehen, könnten winzige Diamantpartikel künftig medizinische Wirkstoffe markieren und so die Diagnostik verbessern.

 

 (c) Universität Stuttgart/ Max Kovalenko

Cloudcomputing ohne Sicherheitsrisiken – möglich werden könnte dies durch die Zusammenführung von Quantencomputern und quantentechnologischen Verfahren zur Datenverschlüsselung. Was praxisnah klingt, ist jedoch absolute Grundlagenforschung. Mit ihr befasst sich Prof. Stefanie Barz, die am Institut für Funktionelle Materie und Quantentechnologien die Arbeitsgruppe „Integrierte Quantenoptik“ leitet. Das Team erzeugt einzelne Lichtteilchen und vermisst sie mit dem Ziel, Anwendungen aus dem Bereich der Quanteninformationen zu demonstrieren. Das sind zum Beispiel kleine Quantencomputer, Quantensimulatoren und Quantennetzwerke. Um den Sprung aus der Quantenphysik in die Praxis zu schaffen, ist eine enge Zusammenarbeit mit den Kolleginnen und Kollegen aus den Ingenieurwissenschaften gefragt.

 

 (c) Universität Stuttgart/ Max Kovalenko

Auf der Spur quantenchemischer Prozesse bei der Molekülbildung: In einer Ionenfalle werden Ionen, also elektrisch geladene Atome oder Moleküle, mittels elektrischer und magnetischer Felder festgehalten. In den letzten Jahren hat sich ein neues Forschungsfeld entwickelt, bei dem kalte, gefangene Ionen in Kontakt gebracht werden mit ultrakalten, neutralen atomaren Gasen. Prof. Johannes Hecker- Denschlag, Leiter des Instituts für Quantenmaterie an der Universität Ulm, studiert im Rahmen des IQST-Teams mit seinen Kolleginnen und Kollegen Kollisionen und Reaktionen der Ionen mit neutralen Atomen. Sie ziehen aus diesen Experimenten Erkenntnisse über die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen. Die Forschungsergebnisse könnten dazu beitragen, chemische Prozesse sehr effizient und kontrolliert ablaufen zu lassen.

 

 (c) Universität Stuttgart/ Max Kovalenko

In Glaszellen eingeschlossene atomare Dämpfe finden bereits Anwendung als Atomuhren und Magnetfeldsensoren. Im Rahmen von IQST werden sie am 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart mit Laseranregungen in hoch angeregte „Rydberg-Zustände“ kombiniert, um neue Anwendungsfelder zu erschließen. Diese erstrecken sich zum Beispiel von Sensoren für Mikrowellen über Einzelphotonenquellen bis hin zu Spurengassensoren.

 

 (c) Universität Stuttgart/ Max Kovalenko

Die Funktionsweise neuartiger funktioneller Mikro- und Nanostrukturen basiert oft auf der Manipulation äußerst fragiler Quantenzustände. Bei der Herstellung solcher Strukturen können bereits minimale Verunreinigen die Leistungsfähigkeit der Bauteile beeinträchtigen. Die Reinräume der Universität Stuttgart und des Max-Planck-Institut für Festkörperforschung genügen höchsten Ansprüchen an Luftreinheit, -feuchtigkeit und Temperatur und erfüllen strenge Anforderungen an die Abschirmung elektromagnetischer Schwingungen bzw. mechanischer Vibrationen. Die komplementäre Ausstattung der Reinräume umfasst eine Vielzahl von Geräten zum epitaktischen Wachstum hochreiner dünner Schichten und Volumenkristalle, zu deren Strukturierung durch Elektronen- und Ionenstrahlen sowie zur Charakterisierung der fertigen Bauteile. Die Herstellung von Prototypen schlägt eine Brücke zwischen Grundlagenforschung und technologischer Anwendung von quantenphysikalischen Phänomenen als Vorstufe zur industriellen Nutzung.

 

 (c) Universität Stuttgart/IQST/Elvira Eberhardt

Vom virtuellen Netzwerk in die reale Welt: Der jährliche IQST Day ist das Forum, um Forschungsprojekte des Zentrums vorzustellen, den wissenschaftlichen Austausch zu stärken und wichtige Impulse für den Dialog mit Wirtschaft und Politik zu geben. Renommierte Quantenforscherinnen und -forscher aus aller Welt präsentieren neueste Ergebnisse aus ihrem hoch innovativen Wissenschaftsbereich und erörtern die Potenziale, die sich aus der Flaggschiff-Initiative der EU-Kommission zur Quantenforschung und -technologie ergeben.

 

 (c) Swabian Instruments/Elvira Eberhardt

Swabian Instruments ist ein junges High-Tech Spin-Off aus dem Fachbereich Physik der Universität Stuttgart. Die Produkte des Unternehmens entwickeln sich derzeit zu den leistungsfähigsten Datenerfassungswerkzeugen der Physikforschung – von der Quantenoptik bis zur Biophysik. Hervorragende wissenschaftliche Einrichtungen weltweit, wie etwa das MIT, die Harvard University, die University of Cambridge oder die University of Oxford sowie Privatunternehmen im Bereich der Quantentechnologie zählen zu den Kunden. Mit dem hier gezeigten Demo Setup wurden auf dem IQST Day 2017 gleichzeitig die Fluoreszenzlebensdauer von Punktdefekten in Diamant, die optische Pulslänge eines gepulsten Lasers sowie die Reaktionszeit der Tagungsteilnehmer mit einer Genauigkeit von wenigen Pikosekunden gemessen.

Dieses Bild zeigt Mayer-Grenu
 

Andrea Mayer-Grenu

Wissenschaftsreferentin; Forschungspublikationen