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Quantentechnologie

In der PTB sind Quantentechnologien ein großes und vielfältiges Themenfeld, das sowohl Fragen der Grundlagenforschung als auch industrielle Anwendungsfälle umfasst. Beide Aspekte sind Teil der gesetzlichen Beauftragung der PTB. Insbesondere in der Quantenmetrologie und bei Quantensensoren ist die PTB dabei eine weltweit führende Institution. Beispiele für diese Spitzenforschung sind hochgenaue Quantenstandards für elektrische Größen, empfindliche Sensoren für medizinische Anwendungen, mikrostrukturierte Ionenfallen, Kryosensoren zur empfindlichen Messung von Magnetfeldern, Einzelphotonenquellen und -detektoren für die Quantenradiometrie und Quantenkryptographie sowie ultrastabile und genaue optische Uhren. Zusätzliche Informationen sind in einer Ausgabe unseres Fachjournals PTB-Mitteilungen mit dem Thema "Opens external link in current windowQuantentechnologie mit Atomen und Photonen"  zu finden.

Quantentechnologien sind dabei zum einen ein spannendes Thema der Grundlagenforschung, etwa bei der Entwicklung der nächsten und übernächsten Generation von Atomuhren. Zum anderen eröffnen Quantentechnologien ganz neue hochtechnologische Anwendungen, die unsere Zukunft beispielsweise in der Medizin oder durch hochsensible Quantensensoren prägen werden. Das Quantentechnologie Kompetenzzentrum der PTB ist genau diesem Transfer gewidmet und wird Anwendern aus der Industrie ein ideales „Experimentier- und Lern-Umfeld“ anbieten.

Die genaue Messung von Zeit und Frequenz eröffnet weitreichenden Anwendungsfelder beispielsweise in der Kommunikation, in der Navigation und in der Geodäsie. Die PTB erforscht und entwickelt neuartige optische Atomuhren mit verschiedenen komplementären Ansätzen. Im Rahmen des vom BMBF geförderten Pilotprojekts „Optische Einzelionen-Uhr für Anwender“ (opticlock), wird zurzeit weltweit erstmalig ein Demonstrator für eine kommerzielle optische Uhr zusammen mit Partnern aus der Industrie und der Forschung entwickelt.

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Ultraschwache Lichtsignale bis hin zu einzelnen Photonen spielen eine zentrale Rolle in optischen Quantentechnologien wie der Quantenkryptographie und Quantenkommunikation, aber auch in Anwendungen von beobachtender Astronomie bis zur Mikroskopie in den Lebenswissenschaften. 

Die PTB beschäftigt sich mit den messtechnischen Grundlagen der Erzeugung und Detektion ultraschwacher optischer Signale. Ziel ist die möglichst genaue und rückgeführte Charakterisierung nicht-klassischer Quellen und Detektoren. Das Spektrum reicht dabei von metrologischer Forschung und Entwicklung im Rahmen PTB-interner und europäischer Forschungsprojekte bis hin zum Aufbau von Kalibrierdienstleistungen im Bereich optischer Quantentechnologien. Darüber hinaus beteiligt sich die PTB aktiv an der Entwicklung technischer Normen für die optische Quantentechnologie. 

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Quantensimulation und Quantencomputer haben das Potential, schneller als jeder klassische Computer bestimmte Probleme zu lösen und damit neue Anwendungen zu erschließen. Eine aussichtsreiche Plattform für diese neue Quantentechnologie sind lasergekühlte und gefangene Ionen, die eine gezielte, sehr gut kontrollierbare Manipulation ihrer Quantenzustände erlauben. An der PTB werden hierzu neuartige Ionenfallen und neue Konzepte zur Manipulation der Quantenzustände von Ionen entwickelt. 

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Mit Hilfe von makroskopischen Quanteneffekten auf Naturkonstanten zurückgeführte elektrische Größen bieten durch ihre universelle Einsetzbarkeit ein sehr großes Potenzial für zahlreiche Anwendungen.

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Kryosensoren nutzen physikalische Phänomene bei tiefen Temperaturen, zum Beispiel die Supraleitung. Mit Supraleitenden Quanteninterferometern (SQUIDs) lassen sich physikalischen Größen messen, die in einen magnetischen Fluss umgewandelt werden können.  Dazu zählen primär Magnetfelder und magnetische Materialparameter, aber auch elektrische Ströme und Temperaturen. Kryosensoren und SQUIDs ermöglichen Präzisionsmessungen in der Metrologie und der Grundlagenforschung, werden jedoch auch in kommerziellen Messsystemen für die Materialforschung oder die angewandte Geophysik verwendet.

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Die PTB betreibt Forschung für Magnetfeldsensoren zur Detektion kleinster Magnetfelder. Der mögliche Einsatzbereich reicht von der Grundlagenphysik, über biomagnetische und medizinische Anwendungen bis zum Geomagnetismus.

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