Quantenforschung an der Universit?t Paderborn: Von den Grundlagen bis zur Anwendung

Quantentechnologien ver?ndern unser Leben. Die Erforschung kleinster Energieteilchen – der sogenannten Quanten – rückt M?glichkeiten in greifbare N?he, die lange undenkbar schienen. Neue Konzepte sollen L?sungen für gro?e Herausforderungen unserer Zeit liefern: für komplexe Zusammenh?nge im Bereich der Ressourceneffizienz als Teil der Energiewende, bessere Verkehrsstr?me dank Echtzeitdaten oder abh?rsichere Kommunikation mittels Quantenverschlüsselung.  
Die Quantenphysik stellt die Gesetze der Naturwissenschaft auf den Kopf. Obwohl sie eine der S?ulen der modernen Physik ist, erscheint sie oft mysteri?s: Man denke an verschr?nkte Teilchen, die eine Art Fernbeziehung führen, ihre Scheu gegenüber Messungen oder das gleichzeitige Vorhandensein mehrerer Zust?nde. Dabei spielt die Quantenphysik im allt?glichen Leben schon jetzt eine wichtige Rolle: von der Atomuhr über den Laser bis hin zur Magnetresonanztomografie (MRT) – all diese Erfindungen w?ren ohne sie nicht m?glich gewesen.

Kleine Teilchen, gro?e Wirkung

Um das gro?e Ganze zu verstehen, begeben wir uns in die Welt der Kleinsten – der Photonen. Das sind Lichtteilchen, aus denen elektromagnetische Strahlung besteht. 360直播吧 bilden die Grundlage für eine Reihe von Quantentechnologien und gelten aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften als Hoffnungstr?ger für eine Revolution in der Datenübertragung und -verarbeitung.

An der Universit?t Paderborn erforschen Wissenschaftler*innen die kleinen Energiepakete schon seit vielen Jahren. Im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gef?rderten Sonderforschungsbereichs (SFB) ?Ma?geschneiderte nichtlineare Photonik“ arbeiten sie daran, neue Wege in der Informations- und Kommunikationstechnologie zu beschreiten – und zwar durch die Manipulation von Licht. Ziel des Verbundprojekts mit der Technischen Universit?t Dortmund ist es, die Datenübertragung durch Photonik sicherer und effizienter zu gestalten.

Photonen nach Ma?

Die Arbeit mit Photonen bringt Herausforderungen mit sich. Noch sind g?ngige Quellen, die die kleinen Rarit?ten produzieren, relativ unpr?zise. Da ihre gezielte Manipulation aber zu den wichtigsten Schlüsselelementen für Quantentechnologien geh?rt, ist (weitere) Grundlagenforschung auf dem Gebiet unerl?sslich. Physiker*innen der Universit?t Paderborn arbeiten st?ndig daran, neuartige Konzepte für einzelne Photonen mit ma?geschneiderten Eigenschaften zu entwickeln. Damit k?nnen sie die Form der Photonen, ihren Energiehalt und somit auch die Informationen, die sie übermitteln, beeinflussen. Konkrete Anwendung findet die Technologie beispielsweise in der Quantenkryptographie, bei der Daten mittels Lichtquanten übertragen und verschlüsselt werden.

Aufnahme von einem Laser, dessen grünes Licht auf einen durchsichtigen Chip scheint. Dunkler Hintergrund

Photonen sind...

... kleine Lichtteilchen, aus denen elektromagnetische Strahlung besteht. Da sie verschiedene Zust?nde auf einmal annehmen k?nnen, sind sie in der Lage, gro?e Datenmengen zu transportieren. Das ist effizient und schont Ressourcen.

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Quantenforschung in Paderborn

Paderborn ist ein Standort für Quantenforschung auf Spitzenniveau. Dank ausgewiesener Expert*innen in verschiedenen Fachdisziplinen – neben Physiker*innen sind das insbesondere Informatiker*innen, Ingenieur*innen und Mathematiker*innen – laufen hier alle notwendigen Ressourcen zusammen, um Grundlagenforschung zu betreiben und deren Ergebnisse in die Anwendung zu bringen – Vorhaben, die die Quantenforschung in Deutschland und darüber hinaus entscheidend pr?gen und beschleunigen. An der Universit?t und insbesondere am Institut für Photonische Quantensysteme (PhoQS) verfolgen Wissenschaftler*innen der Physik, Mathematik, Elektrotechnik und Informatik das Ziel, ein national und international führendes Zentrum für photonische Quantentechnologien zu etablieren. Im Schwerpunkt ?Photonisches Quantencomputing (PhoQC)“ haben es sich die Wissenschaftler*innen zur Aufgabe gemacht, einen interdisziplin?ren Ansatz zur Realisierung eines photonischen Quantencomputers zu entwickeln.

Licht mit Licht kontrollieren

Quantencomputer: Blick in die Zukunft

Die Paderborner Wissenschaftler*innen arbeiten au?erdem daran, skalierbare Methoden zur Kontrolle von Quantensystemen für die n?chste Generation von Rechnern zu entwickeln. Diese erm?glichen es, Quellen für einzelne Photonen mittels ultraschneller Elektronik pr?zise zu steuern. Interessant ist deren Erforschung aber auch deshalb, weil sie die Voraussetzung für etwas sind, an dem die gro?en Player der Technik- und IT-Branche arbeiten: 360直播吧 bilden die Grundlage für sogenannte Quantencomputer. Das sind spezielle Rechner, die im Vergleich zu klassischen Computern nicht mit Bits, sondern auf Basis quantenmechanischer Zust?nde arbeiten.

Quantencomputer geh?ren zu den zentralen Zukunftstechnologien des 21. Jahrhunderts – ihr Potenzial übertrifft selbst das der besten Superrechner. Als leistungsf?hige Instrumente l?sen sie komplexeste Rechenprobleme – Aufgaben, bei denen die klassische Hard- und Software an ihre Grenzen st??t.

In Paderborn werden künftig alle Schritte von der Grundlagenforschung zu neuen Quantenalgorithmen über gro?e, komplexe Quantensysteme bis hin zu realen photonischen Quantennetzwerken für entsprechende Computing-Anwendungen vereint. Gemeinsam mit zahlreichen Partner*innen aus Wissenschaft und Industrie – bundes- und weltweit – entwickeln die Forscher*innen u. a. Chips für photonische Quantencomputer. Anwendungsfelder liegen zum Beispiel in der Chemieindustrie, der Biomedizin oder der Materialwissenschaft.

Abbildung eines Gro?rechners, blau beleuchtet

Quanten- und Supercomputer in der Forschung

Die Quantenforschung bringt unglaubliche Technologien hervor und überwindet Grenzen, die bislang als unüberwindbar galten. Das Potenzial des Quantencomputers – als Krone dieser Forschungsaktivit?ten – ist immens. Zum Einsatz kommen die Rechner zum Beispiel in den Naturwissenschaften.

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Photonen-Verschr?nkung: Fernbeziehung der besonderen Art

Forschende der Universit?t Paderborn haben erst vor Kurzem auf Basis sogenannter verschr?nkter Paare den ersten programmierbaren optischen Quantenspeicher entwickelt. Damit haben sie einen bedeutenden Schritt auf dem Weg hin zu nützlichen Quantentechnologien gemacht. In den Experimenten haben die Physiker*innen einen Quantenzustand so lange gespeichert, bis ein n?chster erzeugt wurde – bislang stellte das eine kaum überwindbare Hürde dar. Die Arbeit k?nnte also den Grundstein für immer gr??ere verschr?nkte Quantenzust?nde legen.

Verschr?nkte Systeme aus mehreren Quantenteilchen bieten entscheidende Vorteile, um Quantenalgorithmen zu realisieren. Anstatt eines einzelnen Zustands, der sich aus den Gegebenheiten eines Photons ergibt, entsteht ein Gesamtsystem aus mehreren Zust?nden. Ein Zustand entspricht dabei einer Information, die übertragen bzw. weiterverarbeitet wird. Solche Systeme finden Einsatz in der Kommunikation, der Datensicherheit oder beim Quantencomputing.

Albert Einstein nannte es eine ?spukhafte Fernwirkung“: kleinste Teilchen, die miteinander verbunden sind, obwohl sie teilweise tausende Kilometer voneinander trennen. Bei dem Ph?nomen der Verschr?nkung werden bestimmte Eigenschaften der Photonen miteinander gekoppelt. Konkret bedeutet das beispielsweise, dass aus einem Photon mit einem hohen Energiegehalt zwei Photonen mit jeweils der H?lfte der Ursprungsenergie entstehen. Diese beiden Teilchen, auch Photonenpaar genannt, sind miteinander verschr?nkt und haben die gleichen Eigenschaften. 360直播吧 werden quasi zu Zwillingen. Das macht sie zu besonders geeigneten Kandidaten für weitere Experimente und Anwendungen. 

Forscher*innen für die Welt von morgen

 

Das Rennen um die Technologieführerschaft auf dem Gebiet der Quanten hat l?ngst begonnen. Fachkr?fte für dieses Zukunftsfeld zu qualifizieren und Anwendungen für die Wirtschaft und Gro?industrie zu erschlie?en, ist dabei unerl?sslich. Deshalb setzt die Universit?t Paderborn auf die Ausbildung einer neuen Generation ausgezeichneter Forscher*innen im Bereich Quantencomputing. Entsprechende Studienangebote sind bereits in mehreren Fachbereichen vorhanden. Durch den gezielten Zusammenschluss verschiedener Kernkompetenzen erschlie?en Paderborner Wissenschaftler*innen das Forschungsfeld des photonischen Quantenrechnens systematisch und erzeugen neue Synergien weit jenseits der Kapazit?ten der einzelnen Disziplinen. Nahezu einmalig in der deutschen Forschungslandschaft ist dabei das Etablieren neuer Strukturen, was das Thema aus der Grundlagenforschung der Physik in die Forschungsaktivit?ten der  Informatik und Ingenieurwissenschaften übertr?gt.

Trotz allen Fortschritts: Der Weg bis hin zur tats?chlichen Realisierung anwendungsspezifischer Quantencomputer ist noch lang. Entscheidende Fragen sind bis dato offen und L?sungen oftmals nur in Ans?tzen erkennbar. Das zu ?ndern, ist das zentrale Anliegen der Paderborner Wissenschaftler*innen.

Ansprechpartner*innen

Prof. Dr. Tim Bartley

Zur Person

Prof. Dr. Jens F?rstner

Zur Person

Prof. Dr. Sevag Gharibian

Zur Person

Prof. Dr. Klaus J?ns

Zur Person

Prof. Dr. Christian Plessl

Zur Person

Prof. Dr. Stefan Schumacher

Zur Person

Prof. Dr. Christine Silberhorn

Zur Person

Prof. Dr. Thomas Zentgraf

Zur Person

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