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

Fördermittel
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
EU (ERC Synergy Grant)
Volkswagenstiftung u.a.

Institute
Institut für Quantenoptik
Prof. Dr. Fedor Jelezko, Prof. Dr. Alexander Kubanek
Institut für Komplexe Quantensysteme
Prof. Dr. Joachim Ankerhold
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
Forschungsverbund IQST (Center for Integrated Quantum Science and Technology)
Universität Stuttgart und dem Max-Planck-Institut 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 Fachkräfte aus Physik, Chemie, Mathematik sowie den Ingenieurwissenschaften 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 zusammengefasst 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 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler 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. Forschende 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. Weiterhin wollen sie so unterschiedliche Phänomene wie den menschlichen Geruchssinn, die Photosynthese und den Vogelflug erklären. 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 (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 HYPERDIAMOND (insgesamt 5 Mio Euro) eingeworben: Mit Quantentechnologie und hyperpolarisierten Diamanten wird an der Verbessrung der Magnetresonanztomographie gearbeitet.

In Zukunft forscht die Gruppe BioQ mit mehr als 100 weiteren Wissenschaftlerinnen und 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 Forschenden abgestimmt ist. Weiterhin eröffnet ein neues Supermikroskop ungeahnte Einblicke in die Quantenwelt: Seit Ende 2017 steht das weltweit einmalige Niederspannungs-Transmissionselektronenmikroskop mit zweifacher Bildfehlerkorrektur SALVE zur Verfügung.

Nanodiamant
MIt künstlichen Nanodiamanten lassen sich Sensoren und etwa bildgebende Verfahren verbessern
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

Quantentechnologien für die Raumfahrt

Eine ideale Ergänzung zur Forschung im „Center for Integrated Quantum Science and Technologie" (IQST) sind die Aktivitäten im neuen Institut zum Thema Quantentechnologien in Raumfahrtanwendungen (DLR-QT), das das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) am Standort Ulm einrichtet. Das Ziel des DLR-QT ist es, Präzisionsinstrumente der nächsten Generation zu entwickeln, die unter anderem für die Navigation und Kommunikation sowie für die Erd- und Wetterbeobachtung im Weltraum eingesetzt werden können.

Auch den Menschen auf der Erde kann die Quantentechnologie bei der satellitengestützten Navigation helfen. Denn hochgenaue Quanten-Uhren sind viel leistungsfähiger als herkömmliche Atomuhren und ermöglichen präzisere Positionsbestimmungen für GPS-Systeme. Ein weiterer vielversprechender Bereich ist die Quantenkommunikation, in dem mittels Quantenkryptographie neuartige Verschlüsselungstechniken entwickelt werden sollen. Diese sind den herkömmlichen, mathematisch basierten Algorithmen zur Verschlüsselung von Nachrichten weit überlegen.

In enger Kooperation mit der Industrie und angesiedelt in Baden-Württemberg, einem der führenden Standorte in der Luft- und Raumfahrtindustrie, schlägt das DLR-QT eine Brücke von der Grundlagenforschung zur Anwendung. Rund 11 Millionen Euro stehen dem Institut dafür jährlich zur Verfügung. Zu den Initiatoren des DLR-QT gehört neben Professor Wolfgang Schleich, Leiter des Instituts für Quantenphysik der Universität Ulm, auch Professor Hansjörg Dittus, Mitglied des DLR-Vorstands.

Galileo-Navigationssatellit in der Umlaufbahn (Quelle: ESA)