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Längst haben Quantentechnologien unseren Alltag erobert: Computer, Smartphones, der Laser oder Methoden der medizinischen Diagnostik beruhen auf Erkenntnissen der Quantenmechanik. Auch die Informationswissenschaft hat unsere moderne Welt revolutioniert, indem sie die Basis für die Informationsverarbeitung und die Kommunikation im digitalen Zeitalter geliefert hat. Die nächste Revolution besteht darin, beide Gebiete zu vereinigen. Die Quanteninformationstheorie ist in der Lage, unsere physikalische Welt zu beschreiben. Mit Fragen der Quantenwissenschaften in all ihrer Breite beschäftigt sich der Exzellenzcluster „Munich Center for Quantum Science and Technology“ (MCQST), der im Zuge der Exzellenzstrategie seit Anfang 2019 gefördert wird. 

Der Cluster gliedert sich in sieben Forschungsbereiche: Quanteninformationstheorie, -simulation, -computing, -kommunikation, Quantenmetrologie und -sensorik, Quantenmaterie sowie explorative Themen. „Kein Standort deckt diese ganze Bandbreite in höchster Expertise so ab wie München“, ist Immanuel Bloch, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und einer der drei Sprecher des Clusters, überzeugt. Eines der Hauptziele des Clusters ist es, München noch sichtbarer zu machen und mit dem MCQST ein weltweit führendes Zentrum der Quantentechnologien aufzubauen, das wichtige wissenschaftliche wie auch technologische Fragen behandelt. (...)

Die Idee des Quantencomputings geht auf Richard Feynman zurück, der im Mai 1981 einen Computer ganz anderer Art vorschlug. Sein Argument war einfach: Es ist schwierig, Vielkörper-Quantenprobleme mit klassischen Rechenverfahren zu lösen, weil die Rechenzeit exponentiell mit der Systemgröße steigt. Stattdessen hielt er die Entwicklung eines Quantencomputers für die natürliche Wahl, nicht ohne bei vielen Kollegen, die mit dem Konzept von Dekohärenz und der Empfindlichkeit von Quantenzuständen vertraut waren, Skepsis hervorzurufen. Die Idee gewann erst an Popularität, als der britische Physiker David Deutsch erkannte, dass Quantencomputer auch klassische Probleme poten­ziell viel schneller lösen könnten als herkömmliche Rechner.  
Parallele Entwicklungen zu Frequenzstandards und Spektroskopie führten zu technologischem Fortschritt bei Ionenfallen [1]. Diese lieferten den Startschuss für die experimentelle Realisierung von Quantencomputern. Seit Ende des 20. Jahrhunderts gibt es viele unterschiedliche Ansätze, um einen vollwertigen Quantencomputer zu realisieren. Neben Ionenfallen sind insbesondere supraleitende elektrische Schaltkreise vielversprechend. (...)

Wofür steht der Name Q.ANT?

Das ist ein Akronym und steht für „We are revolutionizing the Quality how Machines Analyse the environment, how people Notice information, and the way human Think.“

Sie wollen das Denken verändern?

Um die Vorteile eines Quantencomputers in Gänze auszunutzen, müssen wir Quantentechnologien möglichst gewinnbringend einsetzen. Würden wir heute etwas auf einem normalen Computer berechnen und morgen auf einem Quantencomputer, würden wir viel Potenzial verschenken.

Was machen Sie anders als andere Firmen?

Zusammen mit unseren Partnern und Kunden wollen wir das Verständnis erweitern, was die Quantentechnologien können und wie wir sie für Produkte gewinnbringend einsetzen. Das ist unsere Grundphilosophie.

An welchen Produkten arbeiten Sie?

Wir verfolgen vier Produktlinien. In der Partikelmetrologie geht es darum, Partikel zu detektieren, die 500 Nanometer bis einige hundert Mikrometer klein sind. Unsere Quantensensorik liefert deren Größe, Ausbreitungsrichtung, Geschwindigkeit und Form in nur einer Messung.

Gibt es dafür eine konkrete Anwendung?

Zusammen mit der Firma Festo entwickeln wir einen Sensor, um Formfaktoren von Algen in Echtzeit zu messen. Als erster Partikelsensor weltweit gibt er direkte Rückmeldung über die Vitalität der Algen in einem Bioreaktor. (...)

Die frühere Bundeskanzlerin Angela Merkel hatte einen entscheidenden Anteil daran, dass der Quantencomputer nun auf deutschem Boden steht: Im Januar 2019 traf sie auf dem Weltwirtschaftsforum in Davos die damalige IBM-Chefin Virginia Rometty und befragte sie zum Stand des Quantencomputings und seinen Einsatzmöglichkeiten. Mit der Fraunhofer-Gesellschaft fand sich noch im gleichen Jahr ein Partner, der Forschungseinrichtungen und Unternehmen den Zugang zum Quantencomputer zur Verfügung stellt. Beim nächsten Treffen zwischen Merkel und Rometty im Berliner Kanzleramt im September des gleichen Jahres war schon alles unter Dach und Fach: Kurz zuvor hatten IBM und die Fraunhofer-Gesellschaft ihre Zusammenarbeit beim Quantencomputing verkündet.
Doch bis zur offiziellen Einweihung war es noch ein holpriger Weg. Als die IBM-Mitarbeitenden vom Standort Ehningen im März 2020 in die USA fliegen wollten, um sich das dortige System anzuschauen und von den Kolleginnen und Kollegen vor Ort mehr über den Aufbau und Betrieb eines solchen Systems zu lernen, kam ihnen die Corona-Pandemie in die Quere: „Unsere Flüge waren schon gebucht, aber dann wurden sämtliche Reisen gestrichen“, erinnert sich Sven Peyer, der als Manager für die Quantum-Hardware-Entwicklung bei IBM in Böblingen tätig ist und mit seinem Team am Aufbau des Systems in Ehningen beteiligt war. Stattdessen haben die Teams in Deutschland sich alles remote zeigen lassen müssen. (...)

Die Chemie-Nobelpreisträger sind von Haus aus Physiker, die sich durch ihre Arbeit für ein biophysikalisches Verfahren verdient gemacht haben: Richard Henderson bewies, dass Hochauflösung an Biomolekülen möglich ist. Jacques Dubochet entwickelte eine Kryo-Präparations­methode, mit der sich Biomoleküle tiefgefroren in wässriger Umgebung im Elektronenmikroskop untersuchen lassen. Joachim Frank leistete wichtige methodische Beiträge in der elektronenmikroskopischen Bildverarbeitung für die Einzelpartikelanalyse. Diese Pionierarbeiten liegen über 30 Jahre zurück. Seitdem hat sich die Struktur­forschung mit dem Elek­tronen­mikros­kop weiterentwickelt. Der Durchbruch gelang vor etwa vier Jahren. Hier möchte ich die Hintergründe und Vorgeschichte dieser Erfolge auch aus persönlicher Perspektive beleuchten.
Die Strukturaufklärung von Biomolekülen ist eine klassische Domäne der über hundert Jahre alten Röntgen-Kristallographie. In den 1950er-Jahren war ihre Geburtsstunde mit der Aufklärung der Struktur der DNA sowie der von Haemoglobin und Myoglobin, die 1962 zu zwei Nobelpreisen führte. Weitere Nobelpreise mit Bezug zu den diesjährigen Preisträgern folgten, etwa 1988 für die Erforschung des Reaktionszentrums der Photo­synthese oder 2009 für die Aufklärung der Ribosom-Struktur...

Das menschliche Auge, einschließlich der Informationsverarbeitung im Gehirn, ist ein nahezu perfekter Photodetektor, der in mehrfacher Hinsicht nahe an den physikalisch möglichen Grenzen arbeitet. Eine große Herausforderung ist es, Photodetektoren zu entwickeln, die auch nur annähernd die Eigenschaften des Auges erreichen und Photonen ähnlich sensitiv registrieren können. Die in diesem Artikel beschriebenen Detektoren stellen einen großen Fortschritt auf diesem Forschungsgebiet dar.

Bis vor etwa 20 Jahren kamen für die Messung einzelner Photonen fast ausschließlich klassische Vakuum-Photo­vervielfacher (PMT) zum Einsatz. Diese bestehen aus einem evakuierten Glaskolben, in dem Metall-Dynoden eingebaut sind, die mit einem photoempfindlichen Material mit geringer Austrittsarbeit für Elektronen bedampft sind. Photonen treffen durch das Eintrittsfenster auf die Photokathode. In dieser lichtempfindlichen Schicht lösen sie Elektronen aus, die in einem hohen elektrischen Feld beschleunigt und auf die erste Dynode geschossen werden. Dort löst jedes Elektron weitere Elektronen aus, die anschließend in weiteren Dynoden vervielfacht werden. Dies ermöglicht Verstärkungsfaktoren von 106 und mehr bei einer Nachweiswahrscheinlichkeit für Photonen von bis zu etwa 30 Prozent und einer Zeitauflösung von etwa einer Nanosekunde...