Die Forschungsgruppe von Prof. Milan Allan entwickelt einzigartige Quantenmikroskope und nutzt sie, um die faszinierende Physik von Quantenmaterialien zu verstehen. In der Quantenmechanik können Teilchen als Wellen beschrieben werden. Quantenmaterialien sind Materialien, in denen die Welt der Quantenmechanik die makroskopischen Eigenschaften auf unerwartete Weise bestimmt. Oft bilden die Elektronen kollektive Zustände, in denen sie alle eine quantenmechanische Welle bilden.
Allans Team nutzt Rastertunnelmikroskope, mit denen die Eigenschaften von Quantenmaterialien Atom für Atom untersucht werden können, um die Wellenfunktionen abzubilden. Es entwickelt auch neuartige Techniken, um beispielsweise nicht nur die elektronischen Ströme, sondern auch die Fluktuationen zu messen, und zwar lokal und mit extremer Präzision.
An der LMU wird sein Team neue Quantensensoren in seine Mikroskope integrieren, die die Interferenz von Elektronenwellen nutzen, um winzige Magnetfelder zu messen. Eine Anwendung dieses Mikroskops wird ein Diagnosewerkzeug für Chips sein, die in Quantencomputern eingesetzt werden.
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Das Labor für Digitalisierung (LfD) von Prof. Wolfgang Mauerer konzentriert sich in erster Linie auf die Schnittstelle zwischen Quantencomputing, Systems Engineering und Software-Engineering, mit einem breiten Spektrum an internationalen Partnern. Gestützt auf Förderungen auf europäischer, nationaler und staatlicher Ebene sowie in kommerziell finanzierten Kooperationen tragen er und seine Gruppe zur Klärung grundlegender Quantenprobleme, zur Entwicklung von Quantenkommunikation und -software sowie zur Mitgestaltung von Quantenanwendungen bei. Ein Höhepunkt des Jahres war ein neuartiger Quantenansatz zur Ermittlung optimaler Verknüpfungsreihenfolgen in Datenbanksystemen, eines der am meisten untersuchten und rechnerisch anspruchsvollsten Probleme auf diesem Gebiet. Neben der Etablierung eines neuen Forschungsschwerpunkts in der Community könnte eine Anpassung an quanteninspirierte Hardware die jahrzehntelange intensive Forschung und kommerzielle Entwicklung übertreffen und den praktischen Stand der Technik spürbar verbessern.
Durch die Mitarbeit an der Gründung einer Special Interest Group Quantum Computing bei der Gesellschaft für Informatik e. V. (GI) und die Leitung von Workshops zu Quanten-Maschinenlernen und Quanten-Datenbankbeschleunigung auf hochkarätigen Konferenzen unterstützt Mauerers Team den Aufbau einer disziplinübergreifenden Gemeinschaft. Mauerer hat die Quanteninformatik bereits vor fast einem Jahrzehnt in den Informatik-Lehrplan der OTH eingeführt. "Quantentechnologie" als neuer Studiengang, zusammen mit einem kürzlich beschafften Quanten-Schlüsselverteilungssystem und fakultätsübergreifenden praktischen Quantenlaboren, ergänzen die Quanten-F&E-Bemühungen der OTH Regensburg und Mauerers Team.
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In den letzten zehn Jahren hat sich die Erforschung und Entwicklung von angewandten Quantentechnologien wie Quantensimulatoren, Quantencomputern, Quantensensoren oder Quantennetzwerken zu einem wichtigen Anliegen der wissenschaftlichen Forschung entwickelt. Das Ziel dieser Forschungsaktivitäten ist die Revolution der Quantentechnologie, die durch das Potenzial von Quantensystemen, ihre klassischen Gegenstücke zu übertreffen, angetrieben wird. Es ist bekannt, dass Quantentechnologien empfindlicher sind (Quantensensorik), höhere Sicherheit bieten (Quantennetzwerk) oder sogar Funktionen ermöglichen, die über einen klassischen Ansatz hinausgehen (Quantenverschränkung). In Analogie zu einem "Internet der Dinge" können diese Funktionalitäten in einem "Quantennetzwerk der Dinge" kombiniert werden. Ein Quantennetzwerk aus stationären Quantenspeicherknoten, die über Photonen verbunden sind, kann Quantencomputer, Quantensimulatoren und Quantensensoren kombinieren. Im Rahmen der laufenden Forschungsarbeiten konzentrieren sich Prof. Roland Nagy und sein Team auf die Verwirklichung dieser Aufgabe. Sie verwenden einzelne Spins (Farbzentren) als Kommunikationsqubits, um ein Quantennetzwerk zu realisieren, und Kernspins als Quantenspeicher.
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Die Professur beschäftigt sich mit Themen an der Schnittstelle zwischen Quantenoptik und Physik der kondensierten Materie. Ein besonderes Interesse gilt kollektiven Phänomenen, die in Gegenwart starker Licht-Materie-Wechselwirkungen auftreten, und ihren möglichen Anwendungen bei der Kontrolle von Quantenmaterialfunktionen sowie in der nichtlinearen Quantenoptik. Derzeit liegt der Schwerpunkt auf jüngsten Experimenten zur Implementierung eines neuen, nichtrelativistischen Quantenelektrodynamik (QED)-Regimes in Quantenmaterialien, das durch den Einschluss von Licht z.B. in einem Resonator erreicht wird. Eine zuverlässige Beschreibung dieses Vielteilchenproblems ist eine große Herausforderung und wird derzeit von einer ständig wachsenden Gruppe von Wissenschaftler:innen entwickelt. Die Gruppe verwendet maßgeschneiderte feldtheoretische Ansätze, die Methoden aus der Theorie der kondensierten Materie und der Quantenoptik erweitern und sie in einem konsistenten, umfassenden und flexiblen Rahmen zusammenführen. Sie arbeitet in engem Kontakt mit den experimentellen Gruppen, in denen die neuesten Entwicklungen stattfinden, sowohl in Festkörpern als auch in ultrakalten atomaren Gasen. Während die erstgenannten Plattformen letztlich skalierbare Quantentechnologien zur Ausnutzung von QED-Effekten liefern werden, werden die letzteren eine mikroskopisch kontrollierte Erforschung der zugrunde liegenden Phänomene und einen Prüfstand für unser theoretisches Verständnis des neuartigen kollektiven Verhaltens ermöglichen.
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Die Realisierung praktischer Quantentechnologien steht noch vor vielen wissenschaftlichen und technologischen Herausforderungen, die sich, grob gesagt, aus der Unvereinbarkeit fragiler Quantenzustände mit der umgebenden klassischen Welt ergeben. In seiner neu gegründeten Arbeitsgruppe "Angewandte Quantentheorie", die an der Technischen Universität München und am Walther-Meißner-Institut angesiedelt ist, geht Prof. Peter Rabl diese Herausforderung aus theoretischer Sicht an und will neuartige Protokolle und Kontrolltechniken entwickeln, um Quantensysteme effizienter und robuster zu manipulieren. Diese Methoden werden es ermöglichen, Quantenüberlagerungen länger aufrechtzuerhalten, Quantenprozessoren mit immer mehr Qubits zu bauen und den immensen klassischen Kontrollaufwand zu reduzieren, der für den Betrieb solcher Systeme noch erforderlich ist.
Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf der Theorie hybrider Quantensysteme, mit dem langfristigen Ziel, Quantensysteme, die auf unterschiedlichen physikalischen Plattformen realisiert sind, in ein einziges Quantengerät zu integrieren oder über große Entfernungen über das "Quanteninternet" zu verbinden. Über diese anwendungsorientierte Forschung hinaus ist Rabls Gruppe auch an der Modellierung neuartiger Quantenphänomene interessiert, die in der Natur noch nicht zugänglich sind, aber in künstlichen Quantengeräten mit speziell entwickelten Wechselwirkungen beobachtet werden können.
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Neuartige Quantenmaterialien können Innovationen in vielen Technologien ermöglichen, da sie z.B. erhebliche Verbesserungen der Energieeffizienz versprechen. Prof. Giorgio Sangiovanni und seine Gruppe erforschen solche Materialien am neu eingerichteten Lehrstuhl für Computational Quantum Materials an der JMU Würzburg und sind in der Lage, die Lücke zwischen Theorie und Experiment durch ihr umfangreiches Wissen über die chemische Zusammensetzung von Materialien und den Einsatz ihrer Berechnungswerkzeuge zu schließen. Zusammen ermöglichen sie es ihm, neue Phänomene vorherzusagen, die in komplexen Materialien aufgrund der Wechselwirkungen ihrer Elektronen auftreten. Seine Werkzeuge reichen von hochmodernen Vielteilchenalgorithmen bis hin zu künstlicher Intelligenz, um Quantensysteme mit einer großen Anzahl von wechselwirkenden Teilchen zu erforschen.
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Mit der Berufung von Prof. Andreas Stute auf die F&E-Professur für Optische Quantentechnologien tritt die Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm im Mai 2023 dem MQV bei. Die angewandte Forschung an der TH Nürnberg im Bereich der optischen Quantentechnologien konzentriert sich auf die Miniaturisierung und Industrialisierung photonischer Elemente und optischer Systeme für Quantengeräte. Um diese Forschung zu ermöglichen, wurde die Investition in Forschungsgroßgeräte genehmigt: Zum einen wird ein Femtosekunden-Lasersystem zum Schreiben von Wellenleitern und diffraktiven Strukturen in transparenten Materialien wie optischen Fasern und optischen Elementen aufgebaut. Durch Wellenlängenkonversion könnte dieser fs-Laser auch für die deterministische Erzeugung von Leerstellen in Diamant oder Halbleitern für die Anwendung in Einzelphotonen-Emittern oder Quantensensoren eingesetzt werden. Andererseits wird ein kommerzielles Multiphotonen-Nanolithografiesystem für den 3D-Druck von optischen Polymerelementen angeschafft. Beide Arten von optischen Elementen werden als photonische Subsysteme dienen, die Anregungslicht für Atome, Ionen und künstliche Atome liefern oder Fluoreszenzlicht von ihnen sammeln. Auf diese Weise sollen die entwickelten optischen Elemente als photonische Grundlagentechnologien in Ionenfallen- oder Neutralatom-Quantencomputern, Sensoren auf der Basis von Vakanzzentren oder Photonenquellen für die Quantenschlüsselverteilung dienen. Diese interdisziplinäre Forschung wird durch die Aktivitäten der Fakultät für Angewandte Mathematik, Physik und Geisteswissenschaften und der Fakultät für Elektrotechnik, Feinwerktechnik und Informationstechnik in Zusammenarbeit mit dem Polymer Optical Fiber Application Center realisiert.
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Prof. Tobias Vogl erforscht optische Quantentechnologien. Dabei werden fluoreszierende Defekte in Kristallen verwendet, die bei Raumtemperatur Quantenlicht erzeugen können. Diese Defekte werden mit photonischen Gitterschaltungen kombiniert, um kompakte Quantenchips zu bauen, die in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden können. Zu den untersuchten Anwendungen gehört die satellitengestützte Quantenkommunikation, bei der Informationen in Einzelphotonenzuständen des Lichts kodiert und über sehr weite Strecken durch die Atmosphäre übertragen werden. Dieses Szenario wird derzeit im Rahmen der von Prof. Vogl koordinierten QUICK3-Mission evaluiert. Ziel ist es, ein quantensicheres Internet der Zukunft mit Quantenkommunikationsverbindungen und Netzwerkverbindungen zwischen verteilten Quantencomputern zu entwickeln.
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