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Zwei ERC-Advanced Investigator Grants für Stuttgarter Physiker

Hohe Auszeichnung für Quantenforscher

Gleich zwei Stuttgarter Physiker förderte der Europäischen Forschungsrat (ERC) 2010 mit Zuschüssen in Höhe von je 2,4 Millionen Euro aus dem Förderprogramm „Advanced Grants“. Die ERC-Grants zählen zu den renommiertesten Forschungspreisen weltweit. Die Professoren Tilman Pfau und Jörg Wrachtrup, Leiter des 5. beziehungsweise 3. Physikalischen Instituts der Universität Stuttgart entwickeln vielversprechende Ansätze, um zukünftig Quantencomputer mit hoher Rechenkapazität und sicherer Datenübertragung zu bauen. Mit dem Fördergeld können die beiden in den nächsten fünf Jahren ihre Grundlagenforschung auf diesem Gebiet weiter vorantreiben.

Für ihre vielversprechenden Ansätze zur Entwicklung ultraschneller Quantencomputer wurden die Professoren Jörg Wrachtrup (links) und Tilman Pfau mit sehr hoch dotierten Forschungspreisen ausgezeichnet. Die für die Experimente erforderlichen Apparaturen haben sie mit ihren Teams in mühevoller Kleinarbeit selbst zusammengebaut. Das nächste Bild zeigt rot fluoreszierende Fehlstellenzentren in einem Diamant nach der Anregung mit grünem Laserlicht.
(Fotos: Eppler, 4. Physikalisches Institut)
Für ihre vielversprechenden Ansätze zur Entwicklung ultraschneller Quantencomputer wurden die Professoren Jörg Wrachtrup (links) und Tilman Pfau mit sehr hoch dotierten Forschungspreisen ausgezeichnet. Die für die Experimente erforderlichen Apparaturen haben sie mit ihren Teams in mühevoller Kleinarbeit selbst zusammengebaut. Das nächste Bild zeigt rot fluoreszierende Fehlstellenzentren in einem Diamant nach der Anregung mit grünem Laserlicht. (Fotos: Eppler, 4. Physikalisches Institut)

 

„Dass mit Pfau und Wrachtrup gleich zwei Physiker der Uni mit Advanced Grants gewürdigt werden, freut uns ganz besonders und zeigt einmal mehr die außerordentlich hohe Qualität der Physikforschung an der Uni“, so Uni-Rektor Prof. Wolfram Ressel. Tilman Pfau folgte im Jahr 2000 dem Ruf an die Uni Stuttgart nach einem Gastaufenthalt am Massachusetts Institute of Technology in der Gruppe des späteren Nobelpreisträgers Prof. Wolfgang Ketterle. Pfaus Ansatz für zukünftige Quantencomputer in dem von dem ERC bezuschussten Projekt „Long-range interacting quantum systems and devices“ basiert auf atomaren Gasen. Bei klassischen Computern ist die kleinste Informationseinheit ein Bit und nimmt den Wert 1 oder 0 ein.
Die grundlegende Kapazitätsgrenze für die Datenverarbeitung ist erreicht, wenn als Informationsträger die kleinste Einheit in der Natur, also ein einzelnes Quantum wie zum Beispiel ein einzelnes Lichtteilchen benutzt wird. Solche Quanteninformationsträger erlauben auch Überlagerungszustände aus 0 und 1. Daraus ergeben sich neue Möglichkeiten für die sichere Datenübertragung sowie für die Quanteninformationsverarbeitung durch logische Operationen. Pfau und sein Team verwandeln Lichtteilchen in Anregungen in atomaren Gasen. Die hoch angeregten Zustände können einander stark beeinflussen, bevor sie die Anregung wieder in Licht verwandeln. Die Kunst dabei ist es, diesen Prozess in möglichst reiner Form ablaufen zu lassen. Diese Zustandsänderung ist wichtig für die Datenverarbeitung. Die Physiker um Pfau verwenden für ihre Untersuchungen ultrakalte Atomwolken aber auch mikroskopische Dampfzellen, wofür schon Raumtemperatur ausreicht.




Mit Rubidium-Atomen gefüllte Glaszellen im Rydberg-Zustand. Aufgrund eines Blockade-Mechanismus, der durch die starke Wechselwirkung zwischen den Rydberg-Zuständen zustande kommt, können quantenmechanisch verschränkte Zustände erzeugt werden. Diese sind der Grundbaustein für Anwendungen in der Quanteninformation und Quantenkommunikation.
(Abbildung: 5. Physikalisches Institut)
Mit Rubidium-Atomen gefüllte Glaszellen im Rydberg-Zustand. Aufgrund eines Blockade-Mechanismus, der durch die starke Wechselwirkung zwischen den Rydberg-Zuständen zustande kommt, können quantenmechanisch verschränkte Zustände erzeugt werden. Diese sind der Grundbaustein für Anwendungen in der Quanteninformation und Quantenkommunikation. (Abbildung: 5. Physikalisches Institut)

Defekte Diamanten
Jörg Wrachtrup setzt in dem vom ERC gewürdigten Projekt „Spin Quantum Technologies“ auf gezieltes Einbringen einzelner Stickstoffatome in Diamant, die einen Defekt erzeugen und den Diamant einfärben. Wenn Wrachtrup und sein Team die Elektronenspins der Diamantdefekte nutzen, können sie Quantenzustände präparieren, die für die Informationsverarbeitung und –übertragung notwendig sind. Das Diamantgitter schirmt die Elektronenspins dabei so gut vor Umwelteinflüssen ab, dass es auch Wrachtrup gelingt, die Experimente unter Umgebungsbedingungen durchzuführen. Zukünftig möchte der 50-jährige Physiker die Stickstoffatome mit nahezu atomarer Präzision im Diamanten platzieren können. Dadurch ließen sich möglichst große Anordnungen von miteinander wechselwirkenden Stickstoffatomen im Diamant herstellen, die notwendig sind, um für spätere Anwendungen komplexe Quantenzustände zu erzeugen. Da die Elektronenspins äußerst empfindlich auf Magnetfelder reagieren, könnten Wrachtrups Diamanten auch in der Medizin zur Bildgebung bei der Magnetresonanztomografie eingesetzt werden. Biologen könnten mit den fein zermahlenen Diamanten Zellen einfärben und beobachten. Oder aber sie könnten Geologen anzeigen, wie porös das Gestein ist, in dem eine Ölbohrung durchgeführt werden soll.
Von den 266 Advanced Grants, die der ERC im vergangenen Jahr bereits zum dritten Mal vergeben hat, gingen insgesamt 45 an exzellente deutsche Forscher auf den Gebieten der Physik- und Ingenieurwissenschaften, der Lebenswissenschaften und der Sozial- und Geisteswissenschaften. Der ERC war 2007 als Teil des 7. Forschungsrahmen-Programms von der EU gegründet worden und vergibt jedes Jahr neben dem Advanced Grant für Forschungsleiter mit mindestens zehnjähriger Forschungserfahrung auch Starting Grants als Starthilfe für Forscher, die beabsichtigen, eine eigene Forschungsgruppe zu gründen. uk


 



Kontakt

Prof. Tilman Pfau

5. Physikalisches Institut
Tel. 0711/685-64820
e-mail: t.pfau@physik.uni-stuttgart.de
 
Prof. Jörg Wrachtrup
3. Physikalisches Institut
Tel. 0711/685-65278
e-mail: wrachtrup@physik.uni-stuttgart.de

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