Interdisziplinäre Pionierforschung in der Quantenwissenschaft

In den letzten Jahren hat sich eine eigene interdisziplinäre Wissenschaft, die Quantenwissenschaft entwickelt, um das enorme technologische Potenzial der Quantenphysik zu erforschen und für Anwendungen nutzbar zu machen. Die fortschreitende Miniaturisierung von Technologie führt zwangsläufig in die Welt der kleinsten Teilchen, wo die Gesetze der Quantenphysik regieren. Sie zu beherrschen und nutzbar zu machen für z.B. schnelle und energiesparende Rechner, abhörsicherer Datentransfer, neue Sensoren oder verlustarme Energietechnik, erfordert einen gemeinsamen, integrierten Ansatz  der einzelnen naturwissenschaftlichen Teildisziplinen in der Grundlagenforschung. Die junge Forschungsuniversität Ulm hat sich hierzu mit dem Forschungsschwerpunkt „Quantenwissenschaft“ international hervorragend aufgestellt.

Der Laser ist ein typisches Werkzeug zur Untersuchung von kalten Atomen in der Quantenwissenschaft.
Der Laser ist ein typisches Werkzeug zur Untersuchung von kalten Atomen in der Quantenwissenschaft.

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

Quantenzähmung für Zukunftstechnologien und die Biowissenschaften

Quantencomputer, sicheres Quanten-Internet oder neuartige Sensoren. Für viele technische Systeme der Zukunft sind quantenmechanische Eigenschaften wie Überlagerungsprozesse und Verschränkung grundlegend.

Im Schwerpunkt Quanteninformation und -technologie untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Ulm quantenphysikalische Phänomene in Theorie und Experiment. Forschungsvorhaben reichen von der Wechselwirkung ultrakalter Atome in optischen Gittern bis zu einzelnen Qubits in Festkörpern bei Raumtemperatur. Übergeordnetes Ziel ist die vollständige Kontrolle von Quantensystemen. Weiterhin geht es um quantenphysikalische Effekte in kondensierter Materie, in Nanostrukturen und in biologischen Systemen.

Geschwindigkeitsverteilung dreier Wolken kalter Rubidiumatome - Bildung eines Bose-Einstein-Kondensats.
Geschwindigkeitsverteilung dreier Wolken kalter Rubidiumatome. Die Darstellung links zeigt eine thermische Wolke. Bei weiterer Abkühlung (< 1 μK) bildet sich ein Bose‐Einstein Kondensat, bei dem alle Atome den gleichen Quantenzustand besetzen. Dieser Quantenzustand zeichnet sich durch eine besonders geringe Geschwindigkeitsverteilung aus und er erscheint als spitzer Peak (mittlere Darstellung). Bei niedrigsten Temperaturen gibt es nur noch ein reines Bose‐Einstein Kondensat ohne thermische Wolke (rechte Darstellung).

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 eingesetzt werden können, sind ein wichtiges Ziel des Sonderforschungsbereichs/Transregio 21 und der Gruppe BioQ. Dabei setzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf die Manipulation einzelner Atome in Diamanten. Beiden Forschergruppen gehört Professor Fedor Jelezko an, einer der weltweit führenden Experten für die Kontrolle der kleinsten Teilchen in Festkörpern  – belegt durch hochrangige Auszeichnungen.

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.

Um diese Pionierforschung zu ermöglichen, sind die Physikprofessoren Martin Plenio, Fedor Jelezko und die Chemikerin Professorin Tanja Weil 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.

Ein wichtiges Forschungsziel von BioQ sind also maßgeschneiderte Sensoren und Mikroskope für die Lebenswissenschaft. Diese „Werkzeuge“ funktionieren dank künstlich hergestellter Diamanten, die elektrische und magnetische Felder im Nanobereich erfassen. So wird die Untersuchung einzelner Proteine möglich. Praktische Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich etwa in der Medikamentenentwicklung. Mit diamantbasierten Nanomikroskopen lassen sich zum Beispiel die Struktur und Dynamik von Zellrezeptoren beobachten, an denen viele Arzneistoffe andocken.

Einer der geistigen Väter des neuen Forschungsfelds Quantenbiologie ist der Ulmer Alexander von Humboldt-Professor Martin Plenio. Ebenfalls im Rahmen der Gruppe BioQ will er Quantenphänomene in lebenden Organismen erforschen, die ständig Störeinflüssen ausgesetzt sind. Die Forscher haben so unterschiedliche Phänomene wie den menschlichen Geruchssinn, die Photosynthese und den Vogelflug im Blick. Dabei sollen die neuen Messmethoden zum Einsatz kommen.

Physikprofessoren Martin Plenio, Fedor Jelezko und die Chemikerin Professorin Tanja Weil der Gruppe BioQ.
Physikprofessoren Martin Plenio, Fedor Jelezko und die Chemikerin Professorin Tanja Weil der Gruppe BioQ.
Mit winzigen Diamanten lassen sich magnetische und elektrische Felder im Nanobereich erfassen.
Mit winzigen Diamanten lassen sich magnetische und elektrische Felder im Nanobereich erfassen.

 

 

Nächstes Ziel: Transfer in die Biomedizin

In Zukunft forscht die Gruppe BioQ mit mehr als 100 weiteren Wissenschaftlern 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.

Auf diese Weise soll der Transfer von der Quantenphysik in die biomedizinische Forschung gelingen. Mit Professor Frank Kirchhoff wird etwa ein renommierter AIDS-Forscher das Forschungsgebäude beziehen. Mithilfe der Nanomikroskopie hofft er besser zu verstehen, wie das HI-Virus an der Zelle andockt.

In dem weltweit ersten Zentrum für Quanten-Biowissenschaften und im gesamten Forschungsbereich steckt also enormes Zukunfts- und Innovationspotential.

Zu den ersten Erfolgsmeldungen der Gruppe BioQ gehört übrigens die Entwicklung eines Biosensors zur Bestimmung des Eisengehalts im Blut.