Integration Labs als Nukleationszentren für Kooperationen

Die iLab-Struktur wird sich diesen Anforderungen dynamisch anpassen und damit eine Reihe von disruptiven Zukunftsszenarien ermöglichen: auf Ionen basierende Quantencomputer-Plattformen werden einen völlig neuen Zugang zu Optimierungsproblemen erlauben, Anwendungen der Quantenmetrologie wie transportable Uhren und Neutralatom-Inertialsensoren werden neue Anwendungen bspw. bei Ressourcenerkundung und autonomem Fahren ermöglichen, und neuartige, strukturierte photonische Systeme zur Kontrolle von Licht auf der Quantenskala werden Anwendungen in der Höchstauflösungs-Mikroskopie, der Optogenetik und dem Neuromorphic Computing befördern. Insgesamt werden die Vorzüge und Möglichkeiten der Quantentechnologie und insbesondere der Quantenmetrologie und des Quantencomputers so für die breite Gesellschaft zugänglich gemacht und schließlich ein sich selbst tragender, neuer Wirtschaftszweig in der Region erschlossen.

Beispiele

Ionen-basierter Quantencomputer

Zur Skalierung von Ionenfallen-Quantencomputer-Hardware ist die Integration elektronischer Kontrollkomponenten auf Geräte-Ebene unabdinglich. Erst eine skalierbare Erzeugung von Kontrollsignalen ermöglicht einen registerbasierten Ansatz zur Quanteninformationsverarbeitung. QVLS-iLabs wird innovative Ansätze für integrierte Kontrolle gemeinsam mit Hardware-Herstellern vorantreiben und für den Einsatz in Quantencomputer-Demonstratoren charakterisieren. Diese Entwicklung wird unterstützt durch die Neuberufung der TU Braunschweig zu CMOS Design (V. Issakov). Komponenten werden gemeinsam mit der PTB (Raumtemperatur), der LUH (kryogene Anwendungen) und in der neu gegründeten Abteilung QCO des DLR-SI getestet und eingesetzt.

Cloud-Dienste und Anwendungen für den QC

Der Quantencomputer wird kein Gerät sein, das „einfach per Knopfdruck“ mit bestehenden Verfahren bessere Ergebnisse liefert. Anwendungen und Algorithmen müssen Hand-in-Hand mit fortschreitender Quantencomputer-Hardware entwickelt werden. QVLS-iLabs wird durch die Verbindung der Expertise der Theoriearbeitsgruppen der Region zusammen mit den Hardwareentwicklern die gesamte Breite der Expertise bündeln. In den iLabs können so zusammen mit externen industriellen Nutzern Lösungen für Problemstellungen aus der Wirtschaft angegangen und für die bestehende Hardware optimiert werden. So können früh Anwendungen entwickelt werden, die alle klassischen Möglichkeiten übertreffen und damit das volle Disruptionspotential des Quantencomputers freisetzen.

Transportable, robuste optische Atomuhren für neuartige Anwendungen

5 – 8 % des Bruttoinlandsprodukts hängen von der Navigation ab (acatech) und die Entwicklung von Navigationssystemen ist untrennbar mit der Entwicklung von Atomuhren und der Übertragung von Zeitsignalen verbunden. Durch den von mehreren Nationen angestrebten Ausbau von Satellitennavigationssystemen und durch verbesserte Auswerteverfahren können die Techniken zur Standortbestimmung unter Ausnutzung hochgenauer Atomuhren zunehmend verfeinert werden. Präzisere Zeitnormale, die hier durch hybride Integration zu kompakten und feldtauglichen Geräten weiterentwickelt werden sollen, bieten weitere Entwicklungsmöglichkeiten, z. B. für autonomes Fahren und Industrie 4.0, höhere Bandbreiten in Mobilfunk- und Datennetzen durch genauere Synchronisierung. Darüber hinaus bieten transportable hochpräzise Atomuhren in der relativistischen Geodäsie einen neuartigen und komplementären Ansatz der Erdvermessung zu bestehenden Technologien.

Atominterferometrie für die Inertialsensorik und Gravimetrie

Künftige Generationen von Chip-basierten Quanteninertialsensoren versprechen eine hohe Empfindlichkeit, sind breit einsetzbar und preisgünstig. Durch hochempfindliche Absolutmessungen wird diese Klasse von Sensoren einerseits in großflächigen Netzwerken derzeit vorherrschende klassische Federgravimeter verdrängen, andererseits wird der Einsatz dieser Sensorik auf beweglichen Plattformen die Exploration und die Fluggravimetrie revolutionieren sowie eine zuverlässige Technologie für die GPS-unabhängige Navigation ermöglichen. Somit ergeben sich Anwendungen, die von Grundwasser- und Ressourcenmanagement über Katastrophenfrühwarnung bis hin zu erhöhter Sicherheit im autonomen Fahren und Fliegen einen großen Einfluss auf unsere Gesellschaft haben werden. Des Weiteren können Atominterferometer potentiell in Satelliten z.B. zur Messung atmosphärischer Störkräfte und zur Unterstützung der Satellitensteuerung eingesetzt werden.

Phasenkontrollierte Structured Micro Illuminatio Light Engines (PC-SMILE)

SMILE Light Engines sind bisher inkohärente Lichtquellen auf der Basis von mikro- und NanoLEDs. Die Erweiterung hin zu kohärenten Lichtquellen erfordert die Integration nanostrukturierter Meta-Oberflächen, die parallel als Basis für rauscharme hochreflektierende Spiegel für Gravitationswellendetektoren oder für neuartige Ansätze für Bragg-Reflektoren entwickelt werden. Diese Weiterentwicklung wird zu integrierten photonischen Chips mit vollständiger Kontrolle von Licht auf der Nanoskala führen und ein ganzes Universum neuartiger Anwendungen in den Bereichen Optogenetik, biomedizinischer Sensorik oder Neuromorphic Computing erschließen. Dies schließt die Kontrolle z.B.  einer örtlichen Auflösung im Bereich unterhalb von 50 nm sowie Licht mit Drehimpuls („Twisted Light“, Optical Angular Momentum Light) ein.

Über Uns

In den vergangenen Jahren haben die Leibniz-Universität Hannover (LUH) und die Technische Universität Braunschweig (TU-BS) ihre Aktivitäten in der Quantentechnologie durch gemeinsame wissenschaftliche Projekte im Rahmen der Forschungsallianz Hannover-Braunschweig, gemeinsamer Berufungen sowie gemeinsam genutzter Forschungsbauten strategisch weiterentwickelt. Ein Alleinstellungsmerkmal besteht in der langfristigen und engen Zusammenarbeit beider Universitäten mit dem zweitgrößten nationalen Metrologie-Institut weltweit, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig, die selbst erhebliche Mittel für die Forschung in der Quantentechnologie bereitstellt. Darauf aufbauend wird QVLS-iLabs zusätzlich durch das 2019 an der PTB eingerichtete Quantentechnologie-Kompetenzzentrum QTZ unterstützt, das einen Fokus auf den Transfer von Quantentechnologien aus der Grundlagenforschung in die industrielle Anwendung legt. Das erst kürzlich neu gegründete DLR-Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik (DLR-SI) in Hannover wird QVLS-iLabs zukünftig weiter verstärken. DLR-SI wird mehr als 50 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, spezialisierten Einrichtungen für Prototyping und Partnerschaften mit der Industrie einbringen. Die Region Hannover-Braunschweig hat sich durch die bisherigen Initiativen in den letzten Jahren zu einem Hotspot der Quantentechnologie-Forschung entwickelt. Die beiden Universitäten und die PTB haben ein Exzellenzcluster QuantumFrontiers, viele SFBs und Graduiertenkollegs eingeworben und zusätzlich Erfahrung in der strategischen Kooperation mit international tätigen Unternehmen ebenso wie mit Startups vorzuweisen.

Die Region kann schon jetzt auf eine Reihe erfolgreicher Kooperations- und Transferprojekte mit der Industrie auf dem Gebiet der Quantentechnologien verweisen. Im Industrie-geführten Projekt optIclock wurde die weltweit erste optische Atomuhr bis zu TRL 6 entwickelt. Die Ausgründung Supracon AG hat das erste kommerziell verfügbare quantenbasierte Spannungsnormal marktreif entwickelt. Weitere Ausgründungen wie z.B. die QubeDot GmbH (nanophotonische Plattformen zur Kontrolle von Licht auf der Nanoskala) und die Agile Optic GmbH (Speziallösungen im Bereich Optik und Optomechanik) sind weitere Beispiele für eine erfolgreiche regionale Transfer-Aktivität.