Forschung | FBH | 30-01-2020

Gemeinsam ins Quantenzeitalter

Im neuen Forschungsbereich „Integrierte Quantentechnologie“ entwickelt das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) gemeinsam mit der Humboldt-Universität zu Berlin (HU Berlin) am FBH neuartige photonische Komponenten, Laser und Systeme, um die Konzepte der Quantenphysik für den Alltag nutzbar zu machen.

Mikrointegrierter Diodenlaser – MOPA – Master-Oszillator-Leistungsverstärker – für die präzise Iodspektroskopie im Weltraum. | Foto: FBH/schurian.com

Der Quantencomputer ist in aller Munde. Noch vor einigen Jahren nur den Experten bekannt, sind solche futuristischen Rechenmaschinen inzwischen regelmäßig weltweit in den Medien. Dabei sind noch viele technologische Durchbrüche vonnöten, um einen hinreichend leistungsfähigen Quantencomputer stabil zum Laufen zu bringen. Auch andere Quantentechnologien, insbesondere die absolut abhörsichere Quantenkommunikation und besonders empfindliche Quantensensoren, benötigen neuartige Komponenten, um den schwierigen Schritt vom Labor bis zur Anwendung zu schaffen. Zur Stärkung des Standorts Berlin in diesen Zukunftstechnologien hat das FBH nun den neuen Forschungsbereich „Integrierte Quantentechnologie“ eingerichtet.

Das FBH hat schon seit gut zehn Jahren Erfahrung in der Entwicklung von Lasern für die Quantenoptik, insbesondere für sehr anspruchsvolle Anwendungen wie etwa in der Raumfahrt. Herkömmliche Lasertechnik, wie sie in Laboren genutzt wird, ist nicht dafür ausgelegt, etwa die heftigen Vibrationen beim Raketenstart und die rauen Arbeitsbedingungen im Weltall auszuhalten. Integrierte Module, wie sie am FBH hergestellt werden, bieten stattdessen auf kleinstem Raum und unter schwierigen Umweltbedingungen die volle Leistung. So konnte dank Lasertechnik vom FBH bei der Mission „MAIUS-1“ das erste Bose-Einstein-Kondensat im Weltraum erzeugt werden – ein exotischer Materiezustand, der nur bei extrem tiefen Temperaturen in Atomwolken auftritt. Mit FBH-Lasertechnik wurde auch das Prinzip einer optischen Atomuhr im All erstmalig demonstriert. Weitere Experimente, etwa auf Kleinsatelliten, sollen zeitnah folgen.

Der neue Forschungsbereich baut auf dieser Expertise auf. „Wir wollen auch die erfolgreiche Zusammenarbeit mit der Humboldt-Universität im Rahmen der Joint Labs weiter ausbauen“, sagt Dr. Andreas Wicht, der den neuen Forschungsbereich am FBH koordiniert. In insgesamt vier Joint Labs wollen die Forscher vielversprechende Technologieansätze entwickeln und zur Marktreife bringen. Dabei spielen hybride Module, bei denen unterschiedliche Materialien und Technologien zusammengeführt werden, ebenso eine Rolle wie neuartige Quantentechnologien. Dazu zählt etwa die Diamant-Nanophotonik, bei der einzelne Kohlenstoffatome im Diamantgitter durch Stickstoff-Atome ersetzt werden. Dadurch entstehen Fehlstellen im Kristall mit besonders stabilen quantenphysikalischen Eigenschaften, die sich mit Hilfe geeigneter Laserstrahlen kontrollieren lassen.

Ein wichtiges Ziel des neuen Forschungsbereichs ist es auch, die spezialisierte Fertigung solcher integrierter Komponenten mit Hilfe intelligent gesteuerter Robotik in Angriff zu nehmen. „Das Stichwort heißt hier ‚augmented human‘, dass also der Roboter die menschliche Steuerung hochpräzise umsetzt“, erklärt Wicht. Damit sind Kleinserien hochwertiger elektro-optischer Module unter Reinraumbedingungen zu vergleichsweise geringen Kosten möglich.

Die Berliner Kompetenz in Sachen neue Quantentechnologien zeigt sich auch bei den Fördermitteln. So hat Dr. Tim Schröder, der an der HU Berlin und dem FBH forscht, einen „ERC Starting Grant“ der Europäischen Kommission einwerben können. Mit dieser Förderung von 1,5 Millionen Euro über fünf Jahre will Schröder insbesondere das Projekt QUREP („Quantum Repeater Architectures Based on Quantum Memories and Photonic Encoding”) vorantreiben, das dank hybrider Technologien neuartige Quantenverstärker hervorbringen soll. Solche Quantenverstärker sind wichtige Komponenten eines künftigen Quanten-Internets, bei dem Quantencomputer miteinander verbunden sowie eine absolut sichere Kommunikation auch über große Distanzen möglich werden sollen. In einem weiteren Joint Lab, das von Dr. Markus
Krutzik geleitet wird, arbeiten FBH und HU Berlin an Technologien und Systemen für die Quantensensorik. Zum Aufbau eines regionalen Innovationsforums „Photonische Quantentechnologien“ (InnoQT) konnten kürzlich Fördermittel des Bundesministeriums für Bildung und Forschung für das FBH eingeworben werden. Damit will die Hauptstadtregion ihr Profil in diesem Bereich schärfen – seine Technologie-Expertise macht das FBH zu einem Nukleus dieses künftigen Quantentechnologie-Ökosystems.

Text: Dirk Eidemüller

Kontakt

Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH)
Dr. Andreas Wicht
E-Mail andreas.wichtfbh-berlin.de
Tel. 030 6392-3958

Petra Immerz
Communications Manager
E-Mail petra.immerzfbh-berlin.de
Tel. 030 6392-2626