Quanten geschickt vernetzen
Neue Emmy-Noether-Gruppe widmet sich Quantenrechnen und Quantenkommunikation.
Anfang des Jahres ist die neue Emmy-Noether-Nachwuchsforschungsgruppe „Quantennetzwerkknoten“ gestartet. Sie konzentriert sich auf die Forschung in den Bereichen Quantenrechnen und Quantenkommunikation. Geleitet wird sie von Stephan Welte, der dafür eine Förderung in Höhe von 1,9 Millionen Euro eingeworben hat.
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„Durch die Mittel für die neue Emmy-Noether-Gruppe kann ich meine Forschung personell und bei der technischen Ausstattung auf eine noch breitere Basis stellen“, sagt Stephan Welte. Bereits seit vergangenem Sommer leitet der Physiker an der Universität Stuttgart eine Nachwuchsgruppe zur Quantenphotonik, die von der Carl-Zeiss-Stiftung finanziert wird. Beide Arbeitsgruppen sind am 5. Physikalischen Institut angesiedelt.
„Für die Forschung unseres Teams bietet die Universität Stuttgart ein ideales Umfeld, mit der geballten experimentellen und theoretischen Expertise, die hier versammelt ist“, sagt Welte. Hinzu kommt das in Ulm und Stuttgart angesiedelte Center for Integrated Quantum Science and Technology, das IQST, an dem Welte auch Fellow ist: „Dieses Netzwerk vereint führende Gruppen, die an Quantencomputing und Quantenkommunikation forschen. Das birgt viel Potenzial für Kooperationen und Wissensaustausch.“
Welte und sein Team erforschen das Rechnen und die Informationsübertragung mit Qubits. Dazu bauen sie einen Quantencomputer auf, der sich dann über ein Netzwerk mit anderen Quantencomputern verbinden lassen wird. Qubits sind die kleinsten Informationseinheiten, auf denen die Funktion von Quantencomputern und Quantennetzwerken beruht. Auf der Basis von Qubits lassen sich bestimmte Aufgaben nicht nur schneller berechnen, sondern auch Informationen abhörsicher übertragen. Durch die Verbindung mehrerer Quantencomputer miteinander über geeignete Netzwerkschnittstellen entsteht ein abhörsicheres Quanteninternet.
In seinem Experiment wird Weltes Team Atome als Qubits nutzen. „Dazu müssen wir die Atome sehr kontrolliert in einem Raum zwischen zwei hochreflektierenden Spiegeln einzeln positionieren und ansprechen können“, erklärt Welte. Die Spiegel sind nur einen halben Millimeter voneinander entfernt. Im Experiment senden die Atome einzelne Photonen aus, die sich mithilfe hocheffizienter Detektoren auch einzeln messen lassen. Die Anschaffung dieser hocheffizienten Detektoren wird durch die Emmy-Noether Förderung möglich.
Um die Atom-Qubits präzise zwischen den beiden Spiegeln kontrollieren zu können, nutzt das Team Laserlicht, sogenannte optische Pinzetten: Ein Laserstrahl wird dazu so geformt, dass er einzelne Atome an gewünschten Positionen gefangen hält. Das Experiment läuft im Vakuum ab, bei extrem tiefen Temperaturen.
Derzeit besteht Weltes Team aus zwei Doktoranden, einem Master- und einem Bachelorstudenten sowie einer studentischen Hilfskraft. Die Gruppe kann dank der Emmy-Noether-Förderung personell wachsen: Eine Postdoc-Stelle und eine dritte Promotionsstelle sind geplant. Zudem gibt es weitere Projekte für Bachelor- und Masterarbeiten. „Da wir unser Experiment von Grund auf neu aufbauen, können wir wirklich vielfältige Aufgaben anbieten“, sagt Welte, „etwa in den Bereichen Optik, Elektronikdesign und Programmierung.“
Stephan Welte (36) studierte Physik in Freiburg und promovierte 2019 in München mit seiner Arbeit am Max-Planck-Institut für Quantenoptik. Dort blieb er als Postdoc, bis er 2022 an die ETH Zürich wechselte. Im August 2024 trat Welte an der Universität Stuttgart die Leitung der neuen CZS Nachwuchsgruppe für Quantenphotonik an. Seit Januar 2025 leitet er zudem eine Emmy-Noether-Gruppe zu Quantennetzwerkknoten.
U. Stuttgart / DE
