1. September 2021 | Magazin:

Erster Quantencomputer wird im Jahr 2025 enthüllt TU Braunschweig mit Quanten- und Nanotechnologien maßgeblich beteiligt

Erste Prototypen eines Quantencomputers werden in der Region Hannover-Braunschweig bereits getestet und mit rascher Geschwindigkeit weiterentwickelt. Bis 2025 wird im Schulterschluss von Forschung und Industrie der erste Quantencomputer des Landes in Betrieb genommen, über die kommenden 10 Jahre sollen mehr als 1,5 Milliarden Euro in dieses Zukunftsfeld fließen. Im Rahmen einer Pressetour mit dem niedersächsischen Wissenschaftsminister Björn Thümler wurden die bisherigen Ergebnisse und die zukunftsweisenden Pläne der Initiative des Quantum Valley Lower Saxony an der vorgestellt. Die Technische Universität Braunschweig ist mit dem Forschungsschwerpunkt Metrologie, dem Exzellenzcluster QuantumFrontiers und dem Forschungszentrum für Nanometrologie „LENA“ Teil der Keimzelle des Bündnisses. Der Fokus der TU Braunschweig liegt hier auf Quanten- und Nanotechnologien sowie der Miniaturisierung und Parallelisierung von Quantenprozessoren. Im Rahmen der Tour wurden anwendungsnahe Einsatzmöglichkeiten der TU Braunschweig präsentiert.

Das Herz eines Quantencomputerprototypen in Braunschweig. Im Bild optische Komponenten zur Kontrolle von Laserlicht zur Kontrolle einzelner Ionen in einem Ionenfallen-Prozessor. Bildnachweis: QVLS

Quantencomputer gelten als einer der vielversprechendsten technologischen Durchbrüche des 21. Jahrhunderts. Deutschland befindet sich im globalen Wettlauf und investiert im Rahmen des Corona-Konjunkturpakets bundesweit bis 2025 bis zu 2 Milliarden Euro in dieses Zukunftsfeld. Eines der führenden nationalen Ökosysteme für den Bau von Quantencomputern und für die Quantenmetrologie entsteht in Niedersachsen. Hier werden die Bundesgelder durch weitere Quellen aus der Forschung und insbesondere durch Engagement der Industrie ergänzt und in diesem Jahrzehnt mit einem projizierten Gesamtvolumen von über 1,5 Milliarden Euro Quantendurchbrüche vorangetrieben. Die strategische Roadmap des QVLS enthält die Weiterentwicklung der Ionenfallen-Technologie, Großprojekte mit Unternehmen, die Vermarktung von Spin-Off-Innovationen, Start-up-Förderung, Quantum Education sowie mehrere Forschungsneubauten.

Minister Björn Thümler und Präsidentin Prof.in Angela Ittel vor dem Prototypen des Quantencomputers an der PTB. Bildnachweis: QVLS

Mit der Ionenfallentechnologie nutzen die Forscherinnen und Forscher einen der derzeit vielversprechendsten Ansätze, um skalierbare Quantencomputer zu entwickeln. Die Zusammenführung aller erforderlichen Expertise unter einem Dach ‒ von der Nanotechnologie bis zu Quanten-Algorithmen oder der Herstellung von Ionenfallen-Chips ‒ ist ein überzeugendes Alleinstellungsmerkmal der Allianz in Deutschland und in Europa. Das Ziel der Landesinitiative Quantum Valley Lower Saxony ist aber nicht nur die Führungsrolle in der Forschung weiter auszubauen. Mit einer eigenen Geschäftsstelle, die zum 1. Januar 2021 ihren Betrieb aufgenommen hat, sollen auch die Einbindung der Wirtschaft und insbesondere der Technologietransfer und die Start-up-Szene einen kräftigen Schub erhalten. Beides, Grundlagenforschung und industrielle Wertschöpfung, sind die Voraussetzungen, um in den Quantentechnologien und insbesondere im Quantencomputing Spitzenpositionen zu erobern.

Demonstratoren für MikroLED-Arrays zur strukturierten Beleuchtung mit unterschiedlichen Wellenlängen, das heißt in unterschiedlichen Farben. Bildnachweis: QVLS

Basistechnologien für Spillover-Anwendungen der TU Braunschweig vorgestellt

Ein Mikroskop für die Hosentasche

Für einen hochintegrierten Quantencomputer in Ionenfallen-Architektur müssen Basistechnologien entwickelt werden, die auch heute schon auf andere Anwendungsfelder ausstrahlen. Zur Miniaturisierung von Quantenprozessoren entwickeln Wissenschaftler*innen hochintegrierte Lichtquellen wie Laser oder MikroLEDs. Diese ermöglichen eine gezielte Beleuchtung auf der Nanoskala (SMILE = Structured Micro Illumination Light Engine), die vor allem für Anwendungen in den Lebenswissenschaften interessant ist. Diese wurden von Prof.in Dr. Stefanie Kroker und Dr. Jana Hartmann vor. SMILE-Module können zum Beispiel Nervenzellen optisch anregen und ersetzen die aufwändige Verlegung von Elektroden. MikroLEDs sind aber auch die Grundlage für eine völlig neue Art der Mikroskopie: Chip-Mikroskopie ohne optische Elemente, ohne Linsen, Objektive oder mechanischer Verfahr-Einrichtungen. Ihre robuste und kompakte Bauform erlaubt den Einsatz direkt vor Ort. Die Anwendungsmöglichkeiten derartiger superkompakter Mikroskope sind äußerst vielfältig und entspringen letztlich der Entwicklung der Quantentechnologien. Den Sprung von der Forschung zum Markt begleitet die QubeDot GmbH, ein junges Start-up der QVLS-Initiative und ein Spin-Off des Instituts für Halbleitertechnik. Hier präsentierte Jan Gülink ein MicroLED-Array, das direkt vor Ort von Tests zur Wasser- und Lebensmittelqualität genutzt werden kann.

Dr. Jana Hartmann und Jan Gülink präsentieren auf der Tour unter anderem Anwendungsmöglichkeiten für superkompakte Chip-Mikroskopie. Bildnachweis: Moritz Küstner/QVLS

Quantensensoren für neuartigen, quantitativen Schnelltest auf das SARS-CoV-2-Virus

Die Corona-Pandemie hält die Welt immer noch in Atem. Gerade baut sich die vierte Welle von Infektionen in Deutschland auf. Für die schnelle und insbesondere zuverlässige Erkennung von Infizierten müssen die zur Verfügung stehenden Antigen-Schnelltests qualifiziert werden und ihre Sensitivität und Spezifität überprüft werden. Professor Meinhard Schilling, Institut für Elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik, stellte supraleitende SQUID-Quantensensoren für die Detektion von magnetischen Nanopartikeln vor, an dem das Institut seit längerem forscht. Auch bei dem von ihm vorgestellten neuen Schnelltestgerät zum Nachweis des Corona-Virus SARS-CoV-2 kommen diese zum Einsatz. Diese neuartige, hochempfindliche und schnelle Methode zum Nachweis einer Covid-Infektion wurde bereits erfolgreich an Proben von Corona-Patienten aus dem Städtischen Klinikum Braunschweig getestet. In Minuten können quantitative Messungen zur Viruslast mit hoher Reproduzierbarkeit durchgeführt werden.

Die Tour ging auch durch das Reinraumzentrum der PTB. Hier stehen alle für Mikrofabrikationsprozesse erforderlichen Geräte und Prozessiermöglichkeiten zur Verfügung. Bildnachweis: Moritz Küstner/QVLS

Stimmen

Björn Thümler, Niedersächsischer Minister für Wissenschaft und Kultur: „Mit dem Quantum Valley Lower Saxony setzen wir bewusst auf eine Schlüsseltechnologie von morgen. Wissenschaft und Industrie sind im Zuge des digitalen Wandels immer stärker auf Rechnerkapazitäten angewiesen, die in immer kürzerer Zeit immer komplexere Rechenoperationen leisten sollen. Niedersachsen hat als einer von zwei Standorten des Norddeutschen Verbunds für das Höchstleistungsrechnen bereits erfahren, wie wichtig diese Kapazitäten sind. Und je wichtiger Künstliche Intelligenz für Wirtschaft, Wissenschaft und Gesellschaft wird, desto weiter dürften diese Anforderungen steigen. Mit der Quantentechnologie stoßen wir vermutlich in völlig neue Dimensionen vor – vermutlich, weil wir zum heutigen Zeitpunkt nur eine grobe Ahnung von den disruptiven Potenzialen der Quantentechnologie haben. Niedersachsen ist in der Quantentechnologie aktuell ein Stück weit voraus. Mit Hilfe von QVLS sollen aus Science-Fiction Science-Facts werden.“

Professorin Dr. Angela Ittel, Präsidentin der TU Braunschweig: „Das niedersächsische Quantenbündnis ist großartiges Beispiel für gemeinsame und ganzheitliche Exzellenz ‚made in Niedersachsen‘. Wir sind stolz, dass wir von der TU Braunschweig unsere hervorragende Expertise in der Nano- und Quantentechnologie einbringen können, um gemeinsam einen weltweit einmaligen Quantencomputer zu entwickeln. An der TU Braunschweig forschen wir auf höchstem Niveau zur Skalierbarkeit des Superrechners, um ihn möglichst klein und kompakt und trotzdem enorm leistungsfähig und energieeffizient zu machen.“

Hintergrund

Führende Forschungseinrichtungen, Unternehmen und das Land Niedersachsen hatten sich im Oktober vergangenen Jahres zum Bündnis Quantum Valley Lower Saxony (QVLS) zusammengeschlossen, um die Expertise von mehr als 400 Wissenschaftler*innen in den beteiligten Institutionen zu bündeln. 50 Forschende kommen davon von der TU Braunschweig. Ergänzend zu den Projekten und Investitionen der letzten Jahre von über 220 Millionen Euro haben das Land Niedersachsen und die VolkswagenStiftung im Dezember 2020 der Initiative 25 Millionen Euro als Kernfinanzierung für den Bau eines Quantencomputers bereitgestellt. Diese Summe soll im Rahmen der aktuell laufenden Bundesausschreibungen vervielfacht werden und die technologische Entwicklung weiter beschleunigen.