Interdisziplinäre Pionierforschung in der Quantenwissenschaft

Quantencomputer, abhörsicherer Datentransfer oder hochsensible Sensoren. Für viele technische Systeme der Zukunft sind quantenmechanische Eigenschaften wie Überlagerungsprozesse und Verschränkung grundlegend.

Im interdisziplinären Schwerpunkt Quanteninformation und -technologie erforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Ulm quantenphysikalische Phänomene in Theorie und Experiment. Übergeordnetes Ziel ist die vollständige Kontrolle von Quantensystemen. Weiterhin geht es um quantenphysikalische Effekte in kondensierter Materie, in Nanostrukturen und in biologischen Systemen.

Quantenwissenschaft
Der Laser ist ein typisches Werkzeug zur Untersuchung von kalten Atomen in der Quantenwissenschaft (Foto: H. Grandel)

Fördermittel

ERC Synergy Grant, EU, BMBF, DFG, Volkswagenstiftung u.a.

Institute

Institut für Quantenoptik
Prof. Dr. Fedor Jelezko, Prof. Dr. Alexander Kubanek
Institut für Komplexe Quantensysteme
Prof. Dr. Joachim Ankerhold, Prof. Dr. Tommaso Calarco
Institut für Quantenphysik
Prof. Dr. Wolfgang Schleich
Institut für Quantenmaterie
Prof. Dr. Johannes Hecker-Denschlag
Institut für Theoretische Physik
Prof. Dr. Martin Plenio, Prof. Dr. Susana Huelga

Enge interdisziplinäre Zusammenarbeit mit Instituten aus der Biologie, Chemie, Mathematik, Ingenieurwissenschaften und der Medizin.

Kooperationen

Im Rahmen des Forschungsverbundes IQST (Center for Integrated Quantum Science and Technology) enge Kooperation mit der Universität Stuttgart und dem MPI für Festkörperforschung in Stuttgart.Vielfältige Partnerschaften mit international führenden Forschungseinrichtungen in Europa und weltweit.

Kontakt

Prof. Dr. Fedor Jelezko | Institut für Quantenoptik

Grenzen der Physik überschreiten

Im Zentrum Integrated Quantum Science and Technology (IQST), einem deutschlandweit einmaligen Zusammenschluss dieser Art, sind diese Forschungsaktivitäten gebündelt. Dabei überschreiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Ulm und Stuttgart immer öfter die Grenzen der Physik: In Forschungsvorhaben von IQST arbeiten beispielsweise Physiker, Chemiker, Mathematiker sowie Ingenieure eng zusammen, um exzellente Forschungsergebnisse in technische Anwendungen zu überführen.

Den Brückenschlag von der festkörperorientierten und atomaren Physik zur Elektrotechnik schafft die Carl-Zeiss-Stiftungsprofessur für hybride Quantensysteme. Durch die Kombination verschiedener quantenmechanischer Systeme werden deren Stärken gebündelt und zum Beispiel für die sichere Informationsübertragung („Quantenkryptpgraphie“) oder den Quantencomputer nutzbar.

Neuartige Sensoren, die in Zellen eingebracht werden können, sind ein wichtiges Ziel der Quantenforschung an der Universität Ulm. Dabei setzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf die Manipulation einzelner Atome in Diamanten. Maßgeblich beteiligt ist  Professor Fedor Jelezko, einer der weltweit führenden Experten für die Kontrolle der kleinsten Teilchen in Festkörpern – belegt durch hochrangige Auszeichnungen

Foto: H. Grandel

Ulmer Forscher erkunden neues Forschungsfeld

An der Universität Ulm ist in diesem Bereich sogar ein neues Forschungsfeld entstanden, das von der Gruppe „Quantum Devices and Biology"  (BioQ) beforscht wird: Die Quanten-Biowissenschaft. Forscherinnen und Forscher wollen Quanteneffekte in biologischen Systemen verstehen. Dafür entwickeln sie Sensor- und Bildgebungstechniken, die Strukturen und Funktionen einzelner Biomoleküle unter physiologischen Bedingungen sichtbar machen – in atomarer Auflösung und bis in den Quantenbereich. Neben der biomedizinischen Forschung und Diagnostik könnten die Pharmaindustrie und die Photovoltaik-Branche profitieren. Weiterhin wollen die Forscher so unterschiedliche Phänomene wie den menschlichen Geruchssinn, die Photosynthese und den Vogelflug erklären.

Um diese Pionierforschung zu ermöglichen, sind die Physikprofessoren Martin Plenio, Fedor Jelezko und die Chemikerin Professorin Tanja Weil (inzwischen Direktorin MPI Polymerforschung) Ende 2012 mit einem Synergy Grant des Europäischen Forschungsrats (European Research Council/ERC) ausgezeichnet worden. Dabei handelt es sich mit 10,3 Millionen Euro um das höchst dotierte Forschungsinstrument der Europäischen Union.

Als Nebeneffekt ihrer Forschung hat die Gruppe zudem das EU-Projekt HYPERDIAMONDhttp://www.hyperdiamond-project.eu/ (insgesamt 5 Mio Euro) eingeworben: Mit Quantentechnologie und hyperpolarisierten Diamanten wollen die Wissenschaftler die Magnetresonanztomographie verbessern

In Zukunft forscht die Gruppe BioQ mit mehr als 100 weiteren Wissenschaftlern verschiedener Disziplinen unter einem Dach. An der Universität Ulm entsteht ein „Zentrum für Bio-Quantenwissenschaft“ (ZQB), das mit hochtechnologisierten und wohl einzigartigen Laboren exakt auf die Bedürfnisse der Forscherinnen und Forscher abgestimmt ist.

Nanodiamant
MIt künstlichen Nanodiamanten lassen sich Sensoren und etwa bildgebende Verfahren verbessern (Foto: H. Grandel)
Forschergruppe HYPERDIAMOND
Im Projekt HYPERDIAMOND wird die Gruppe BioQ, bestehend aus Prof. Fedor Jelezko, Prof. Martin Plenio und Prof. Tanja Weil (1., 2., 4. v. l.), vom Experten für Medizinische Physik, Prof. Volker Rasche (2. v. r.), unterstützt (Foto: Elvira Eberhardt)