Wissenschaftliche Durchbrüche in den Quantentechnologien eröffnen neue Horizonte für Forschung, Industrie und Wirtschaft. Indem sie quantenmechanische Effekte nutzen, werden neuartige Sensoren, Simulatoren, Kommunikationsnetze und Computer mit bislang unerreichbarer Leistung möglich.
Quantentechnologien prägen den technologischen Fortschritt und damit unsere Zukunft. Bauteile und Instrumente, die sich Quantenverhalten zunutze machen, sind inzwischen aus der Industrie und unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Sie stecken als Transistoren in unseren Handys, werden für Displays wie LEDs eingesetzt oder sind die Grundlage von Lasern. Moderne Kommunikation, Datenübermittlung und generell Elektronik wären ohne die Ausnutzung des Quantenverhaltens von beispielsweise Licht nicht denkbar. Die erste Quantenrevolution hat uns alle längst erreicht.
Nun stehen wir am Anfang einer zweiten Quantenrevolution. Dank intensiver Forschung auch am DLR stehen Quantentechnologien an der Schwelle zur Anwendung in Industrie und Wissenschaft. In unseren Instituten und Einrichtungen erforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dafür die Grundlagen und entwickeln Cutting-edge-Lösungen für neuartige Sensoren, Computer und Netzwerke.
Forschung zu Quantentechnologien am DLR
Quantensensoren, die so feinfühlig und präzise sind, dass sie das Magnetfeld eines Atoms oder kleinste unterirdische Gravitationsabweichungen detektieren können
Quantensimulatoren, die komplexe Moleküle und exotische Materiezustände im Labor erforschbar machen und so Durchbrüche in der Grundlagenforschung und bei der gezielten Entwicklung neuer Chemikalien und Werkstoffe ermöglichen
Quantencomputer, die Rechen- und Optimierungsprobleme lösen, die für klassische Computer für immer unerreichbar sind – womit zum Beispiel im Energie- und Verkehrssektor enorme Emissions- und Kosteneinsparungen möglich werden
Quantennetzwerke, die nicht nur abhörsichere Kommunikation garantieren, sondern in Zukunft auch weltweit – und sogar weltraumweit – verteilte Quantensensoren, -simulatoren und -computer zu noch mehr Leistung verschalten
So arbeitet zum Beispiel Alexander Fieguth am Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik im Projekt INTENTAS mit an der Verbesserung der Sensitivität von Atominterferometern und Atomuhren. Grundlage dafür ist die so genannte Verschränkung von Atomen, ein fundamentales Konzept der Quantenmechanik. Im Rahmen des Projekts bauen Alexander und seine Kolleginnen und Kollegen „einen neuen kompakten Sensor, der erstmals in Schwerelosigkeit verschränkte Atome nutzen wird“. Die Experimente können mit dem Einstein-Elevator in nahezu Schwerelosigkeit mit hoher Wiederholungsrate durchgeführt werden.
Was damit erreicht werden kann? „Bereits heute liefern Atomuhren im All und auf der Erde hochpräzise Zeitsignale, um Navigationssysteme wie zum Beispiel Galileo zu ermöglichen. Aber auch eine äußerst genaue Navigation ohne Satelliten kann durch verbesserte Atominterferometer ermöglicht werden“, berichtet der Experimentalphysiker. Oder eine hochpräzise Vermessung des Erdschwerefelds aus dem Weltall: „Dies kann unter anderem zur Verbesserung von Klimamodellen oder unser Verständnis von der Zusammensetzung der Erde genutzt werden.“
Klimamodelle verbessern – das möchte auch Mierk Schwabe vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre. Und dabei Quantencomputing und maschinelles Lernen einsetzen. Ihr Ziel: „Wir wollen dazu beitragen, Klimamodelle zu entwickeln, die auch regional und lokal genauere Prognosen des sich wandelnden Klimas ermöglichen.“ Dafür sind immense Rechenleistungen erforderlich: Quantencomputer könnten dies einmal bewältigen. Wie genau, das erforscht die promovierte Physikerin mit ihrem Team zukünftig mithilfe der Quantencomputer der DLR Quantencomputing‑Initiative (DLR QCI).
Wer hier noch fehlt?
Eine Pionierin oder ein Pionier wie du!
Ein spannendes Forschungsfeld, findet Mierk und freut sich, dass sie einen Beitrag zu einem so wichtigen Thema wie dem Klimawandel und der nachhaltigen Entwicklung unserer modernen mobilen Welt leisten kann. Vor allem Mädchen und Frauen ermuntert sie, sich mit technischen und naturwissenschaftlichen Themen zu beschäftigen: „Gerade bei den enormen Herausforderungen, vor denen wir stehen, brauchen wir jeden kreativen und motivierten Kopf.“
Prof. Dr. Claus Braxmaier vom DLR-Institut für Quantentechnologien mit einer quanten-optischen Moleküluhr für die Mission COMPASSO. Dieser Ansatz ermöglicht eine präzisere Satellitennavigation.
XQ1i: Der erste Quantencomputer der DLR Quantencomputing-Initiative
Unser erster Quantencomputer: ein 4-Qubit-System auf Basis von NV-Zentren vom Leipziger Startup XeedQ
Bild: 2/2, Credit:
eifertfotodesign.de
Be a pioneer! Mitarbeiten an den ersten deutschen Quantencomputern
Auf das Quantencomputing legen wir in unseren Forschungsarbeiten einen besonderen Schwerpunkt. Quantencomputer können gewaltige Datenmengen in komplexen Berechnungen oder Simulationen verarbeiten, die mit derzeitigen Computern sehr lange dauern würden oder gar nicht möglich wären. Die Einsatzmöglichkeiten reichen von der Beschleunigung von KI-Modellen über materialwissenschaftliche Simulationsaufgaben und Optimierungslösungen für Logistik und Wirtschaft bis hin zu Kryptografie und Kryptoanalyse. Die Forschungs- und Entwicklungsarbeit in diesem Bereich bietet enorme Chancen für Wirtschaft, Industrie und Wissenschaft und hat das Potenzial, ganze Industriezweige disruptiv zu verändern.
In den letzten Jahren haben wir große Fortschritte bei der Grundlagenforschung für das Quantencomputing erreicht. Jetzt geht es darum, die neuen technologischen Fähigkeiten in die Anwendung zu bringen. Um unsere eigenen Kompetenzen auszubauen und das Ökosystem Quantencomputing zu stärken, entwickeln wir in der DLR Quantencomputing‑Initiative gemeinsam mit Partnern aus Industrie, Wirtschaft und Startups mehrere Quantencomputer unterschiedlicher Architektur sowie die dafür notwendigen Technologien, Software und Anwendungen.
Wie kannst du Pionierarbeit für Quantencomputing leisten? Bewirb dich jetzt!
Bring deine Expertise ein und den Mut, neue Wege zu gehen
Dein Fachgebiet liegt im Bereich Physik, Informatik, Mikro- und Nanotechnologien, Mikrosystemtechnik, Maschinenbau, Verfahrenstechnik, Elektrotechnik, Mechatronik, Chemie o.ä.
Oder du bist Quereinsteigerin bzw. Quereinsteiger mit technischem Verständnis, Koordinationsfähigkeit und Projektmanagement-Erfahrung
Für eine internationale Spitzenposition im Quantencomputing brauchen wir ein starkes Quantencomputing-Ökosystem. Nur gemeinsam werden Forschung, Industrie und Startups die großen technologischen Herausforderungen überwinden und Quantencomputer erfolgreich in die Anwendung bringen. Ein florierendes Quantencomputing-Umfeld beschleunigt den Technologietransfer zwischen Industrie und Forschung, unterstützt Kooperationen und die damit verbundenen Synergien und Innovationen und schafft ein attraktives Umfeld für Fachkräfte.
DLR Quantencomputing-Initiative (DLR QCI) – Kampagne "Be a pioneer"
An unseren Innovationszentren in Hamburg und Ulm bündeln wir Infrastrukturen, Know-how und Ressourcen. Quanten-Startups und Industriekonsortien stellen wir Labore, Werkstätten und Büroräume zur Verfügung und gestalten mit Gemeinschaftsflächen einen hochattraktiven Standort, an dem bahnbrechender Fortschritt möglich wird.
DLR-Standorte der DLR QCI:
Hamburg, Ulm und Köln
Indem wir den ganzen Quantencomputing-Stack adressieren und zusammenbringen, erschließen wir das gesamte Potenzial der Quantencomputer, schaffen einen souveränen Zugriff auf Computing-Ressourcen und behalten die Wertschöpfungsketten und das Know-how in Deutschland und Europa.
Technologische Vielfalt ist ein wichtiges Prinzip der DLR Quantencomputing‑Initiative. Deswegen haben wir die Entwicklung von Quantencomputern und Enabling-Technologien auf Basis von Ionenfallen, NV-Zentren (Stickstoff-Fehlstellen-Zentren), Photonen, Neutralatomen, Festkörper-Spin und sogar komplementären Analogrechnern in Auftrag gegeben. Neben den Auftragnehmern entwickeln DLR-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler in Forschungsprojekten außerdem Enabling-Technologien wie Photonenquellen für photonische Quantencomputer oder Spezial-Hardware für Ionenfallen-Quantencomputer.
Markus Mohr aus dem Institut für Quantentechnologien arbeitet mit seinen Kolleginnen und Kollegen daran, schonende Bearbeitungsprozesse für Diamantoberflächen zu entwickeln. Denn Defekte auf den Diamanten können darunterliegende Quantenbits empfindlich stören. „Mit unseren Forschungsergebnissen versuchen wir dazu beizutragen, dass Quantencomputerhardware basierend auf NV-Zentren in Diamant noch schneller und leistungsfähiger werden kann“, berichtet der studierte Elektrotechniker.
Große Motivation zieht Markus aus seiner abwechslungsreichen Arbeit im einzigartigen Entwicklungsumfeld Quantencomputing. Er betont, dass noch an vielen spannenden Themen mitgearbeitet werden kann: „Hier sind Theoretiker/innen, Experimentalphysiker/innen, Ingenieurinnen, Ingenieure, Expertinnen und Experten für Mikro- und Nanotechnologie vereint, so dass wir von der Idee bis zum Prototyp alles abdecken können.“
Im Bereich der Quantentechnologien haben wir am DLR bereits mehrjährige Erfahrung aufgebaut: Mit unserem Institut für Quantentechnologien in Ulm und unserem Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik in Hannover forschen wir an den neuesten Entwicklungen. Beide Institute sind zum Beispiel am Experiment BECCAL (Bose-Einstein Condensate and Cold Atom Laboratory) als Grundlagenexperiment für Quantensensoren auf der Internationalen Raumstation ISS beteiligt.
Unsere Institute und Einrichtungen arbeiten daran, quantenmechanische Phänomene nutzbar zu machen, Technologien zu entwickeln, Anwender zu identifizieren und die Kommerzialisierung zu unterstützen.
Unser Galileo Kompetenzzentrum an unserem Standort in Oberpfaffenhofen überführt unter anderem die Forschungsergebnisse der Quantentechnologien zusammen mit der Industrie in den kommerziellen Markt für GNSS-Dienste (Globale Satelliten-Navigationssysteme).
Weitere DLR-Institute arbeiten bereits seit vielen Jahren an der Softwareentwicklung und Anwendungsanalyse für Quantencomputer, wie zum Beispiel das Institut für Softwaretechnologie oder das Institut für Kommunikation und Navigation. Die Fragestellungen umfassen unter anderem Post-Quantum-Kryptographie, Quantum-Machine-Learning, Planungsoptimierung für Satellitenbetrieb und Simulation chemischer Redox-Reaktionen für die Entwicklung von Batteriesystemen. Die Forschungsprojekte haben stets auch einen industriellen Anwendungshintergrund.
