Im Projekt QuMeCo möchte man vor allem eine einzigartige Vernetzung zwischen der Physik und Elektrotechnik im Bereich Licht und Materie erschaffen.

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Vernetzung von Physik und Elektrotechnik Quantentechnologie made in Bavaria

08.08.2022

Ein Konsortium der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg wird bis 2025 mit knapp drei Millionen Euro gefördert. Das neue Leuchtturmprojekt Quantum Measurement and Control for the Enablement of Quantum Computing and Quantum Sensing (QuMeCo) wird die Grundlagenforschung im Bereich Quantencomputing, -sensorik und -bildgebung vorantreiben und dabei eine einzigartige Vernetzung von Physik und Elektrotechnik im Bereich Licht und Materie schaffen.

„Die FAU hat sich bereits mit mehreren Projekten sehr erfolgreich im Bereich der Quantenforschung etabliert – von der kürzlich eingeworbenen Professur für Angewandte Quantentechnologie über die jüngste Humboldt-Professur bis hin zum Sonderforschungsbereich ‚Quantenkooperativität von Licht und Materieʼ“, sagt FAU-Präsident Prof. Dr. Joachim Hornegger. „Durch die Förderung des Leuchtturmprojekts QuMeCo im Rahmen der Bayerischen Quanteninitiative Munich Quantum Valley wird diese Spitzenstellung weiter unterstrichen.“

Bayerns Wissenschaftsminister Markus Blume ergänzt: „Wir wollen gezielt interdisziplinäre und hochschulübergreifende Projekte unterstützen, die die Grundlagen für bahnbrechende Innovationen legen können. Innovationen, von denen wir uns heute noch gar nicht vorstellen können, dass es sie gibt. Und die sich positiv für uns und die nachfolgenden Generationen auswirken werden. So zeigt sich beim Zukunftsthema Quantentechnologien die große visionäre Qualität der Hightech Agenda unseres Ministerpräsidenten Dr. Markus Söder. Mit dem Munich Quantum Valley als Epizentrum ist der Freistaat ein international anerkannter Top-Standort für Quantentechnologien.“

Schnittstelle von Physik und Elektrotechnik

QuMeCo bündelt die Expertise der FAU auf den Gebieten der Physik von Licht und Materie sowie der Elektrotechnik, was sich in den Arbeitsschwerpunkten des Projektes widerspiegelt: So sollen zum einen die Grundlagen für die nächste Generation supraleitender Quantencomputer gelegt werden.

„Dabei geht es nicht nur um die Leistungsfähigkeit und Robustheit der Qubits selbst“, erklärt Prof. Dr. Christopher Eichler vom Department Physik stellvertretend für das Konsortium. „Wir entwickeln auch neuartige Ausleseverfahren, die das hochempfindliche System einerseits nicht stören und andererseits die Fortführung von Rechenoperationen ermöglichen, während die Messresultate noch ausgewertet werden.“ Quantenkontrolle und Fehlerkorrektur sollen zudem durch maschinelles Lernen und künstliche neuronale Netze optimiert werden.

Eine besondere Herausforderung für das Quantencomputing ist auch die Steuerelektronik. Das Konsortium will Mikrowellenschaltungen entwickeln, die sich möglichst nah an den Quantenchips befinden. Aktive Elemente müssen dabei eine extrem geringe Leistungsaufnahme haben, um ungewollte Wechselwirkungen mit den Qubits auszuschließen, und zugleich die Verarbeitung schneller Steuerimpulse im Nanosekundenbereich ermöglichen. Für die Charakterisierung solcher Schaltkreise bei extrem niedrigen Temperaturen wird in Erlangen ein neuartiges Labor eingerichtet. Eichler: „Mit solchen experimentellen Aufbauten werden wir an der FAU interdisziplinäre Forschung an der Schnittstelle zwischen Elektrotechnik und Physik entscheidend voranbringen.“

Der dritte Schwerpunkt umfasst die Quantensensorik und -bildgebung. Die Forschenden experimentieren mit neuartigen Quantenlichtquellen und -detektoren und machen sich dabei die besonderen Eigenschaften verschränkter Photonen zunutze, um neue Technologien zu erforschen. Außerdem nutzen sie Farbzentren als hochsensitive Quantensensoren, um elektrische und magnetische Felder sowie elektrochemische und photochemische Reaktionen von Molekülen auf einem völlig neuen Niveau optischer Auflösung abzubilden. Das ermöglicht zum einen den Blick in schwer zugängliche Spektralbereiche, etwa um biologische Prozesse bis hin zur Entstehung und Ausbreitung von Tumoren besser verstehen zu können. Ein weiteres Anwendungsszenario ist die Optimierung von Elektrolyten oder ionischen Flüssigkeiten, um die Effizienz und Lebensdauer von Batteriezellen zu erhöhen.

Erlanger Präsenz im Munich Quantum Valley

An QuMeCo sind elf Professorinnen und Professoren der FAU beteiligt: Maria Chekhova, Christopher Eichler, Stephan Götzinger, Michael Hartmann, Florian Marquardt, Kai Phillip Schmidt und Joachim von Zanthier aus dem Bereich Licht und Materie des Departments Physik sowie Roland Nagy, Martin Vossiek und Robert Weigel vom Department Elektrotechnik-Elektronik-Informationstechnik (EEI).

Das Projekt ist eingebunden in bestehende Forschungsstrukturen: Enge Verbindungen bestehen beispielsweise mit dem Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts und den Fraunhofer-Instituten für Integrierte Schaltungen (IIS) und Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB). Darüber hinaus wird QuMeCo mit dem an der FAU geplanten Center for Applied Quantum Technologies (CAQT) verzahnt sein.

Angesiedelt ist das Leuchtturmprojekt am Munich Quantum Valley, einer Initiative zur Förderung der Quantenwissenschaften und Quantentechnologien in Bayern, die vom Freistaat Bayern gefördert wird. Als Drehscheibe zwischen Forschung, Industrie, Förderern und Öffentlichkeit soll die Initiative unter anderem dazu beitragen, wettbewerbsfähige Quantencomputer in Bayern zu entwickeln und zu betreiben. Aktuell ist die FAU die einzige Universität außerhalb Münchens, die am Munich Quantum Valley beteiligt ist.

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