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Quantum Technology Competence Center (QTZ)

The recently established quantum technology competence center (QTZ) at the Physikalisch-Technische Bundesanstalt will provide an important basis for the industrial development of quantum technology. PTB combines internationally recognized, professional Opens external link in new windowcompetence in the field of quantum metrology and sensor technology with the mission to support industry in metrology as a governmental body. It has the prerequisites to operate and build important infrastructures as required and to offer the necessary services. The central goal of QTZ is to support business - with a special focus on start-ups and small and medium-sized enterprises - in the transfer of quantum technology from basic research into application. The QTZ complements the existing research and development skills and services with a focus on the evolving needs of the economy and active technology transfer. 

Robuste Komponenten und Technologien

Für die Anwendung der QT im Markt sind robuste und anwenderfreundliche QT-Komponenten und Geräte erforderlich, die auch von Nicht-Experten in der rauen Umgebung eines Industriebetriebes genutzt werden können. Die PTB ermöglicht die Weiterentwicklung von bereits in der PTB (und anderen Forschungsinstitutionen) etablierten QT-Komponenten für diesen Praxiseinsatz.

Kalibrierungen und Dienstleistungen

Eine wichtige Voraussetzung für die kommerzielle Nutzung sind verlässliche und vergleichbare QT-Komponenten und die Sicherstellung und Zertifizierung von Spezifikationen zur Qualitätssicherung durch Kalibrierung und Charakterisierung. Das QTZ unterstützt hierfür weiterhin die Entwicklung von Normen und Standards in der QT. Mit diesen originären Dienstleistungen der PTB als unabhängigem, nationalen Metrologie-Institut schafft die PTB eine wichtige, belastungsfähige Basis für den Weg der QT in den Markt.

Hands-on Training, Quantum Education und Unterstützung von Start-ups

Für die Umsetzung der QT am Markt bedarf es gut ausgebildeten Personals, für das es zur Zeit noch keine ausreichende Ausbildungsangebote gibt. Die bereits an der PTB bestehenden Verbindungen zu wichtigen Akteuren aus der Industrie bieten einen ausgezeichneten Ausgangspunkt, um zeitnah und nach Bedarf eine solche „quantum work force“ auszubilden, unter Verwendung der besonders für diesen Zweck geeigneten Anwenderplattformen. Eine weitere Möglichkeit zum Wissenstransfer besteht in der Anregung und Förderung von Unternehmensgründungen.

Anwenderplattformen im QTZ

Die Anwenderplattformen bieten robuste und anwenderfreundlich ausgelegte Messplätze in wesentlichen Bereichen der QT und sollen, unterstützt von Personal und Infrastruktur der PTB, von externen Partnern genutzt werden können. Das Ziel ist es hier, Partnern eigene Erfahrungen in der QT zu ermöglichen, ohne dass diese selbst die Infrastruktur aufbauen müssen, die gerade in der QT typischerweise sehr hohe Investitionen und Vorlaufszeiten verlangt. Fehlender Kontakt und mangelnde Erfahrung mit den eingesetzten Techniken bzw. deren zeitaufwendiger Aufbau stellen eine weitere Herausforderung insbesondere für kleine und mittlere für Unternehmen (KMU) dar. Gerade in einem potenziell sehr dynamischen und disruptiven Feld wie der QT kann dies ein großer und schwer aufzuholender Nachteil in der Konkurrenzfähigkeit sein, den das QTZ überbrücken helfen soll.

Ein zentraler Bestandteil für die Verfolgung aller Ziele des QTZ sind die Anwenderplattformen - sie bilden wesentliche Kernkompetenzen der PTB in der QT ab und stellen entsprechende Apparaturen, Messplätze und Demonstratoren zur Verfügung. Der Schwerpunkt liegt, entsprechend der Ausrichtung der PTB, in der Quantenmetrologie und Quantensensorik. Beim Aufbau dieser Messplätze stehen Robustheit und Anwenderfreundlichkeit im Vordergrund, was sie von Aufbauten zur Grundlagenforschung an den Grenzen des technisch Umsetzbaren unterscheidet. Damit soll auch der Betrieb dieser Apparaturen durch Nicht-Experten ermöglicht werden. Diese so zur relativ unkomplizierten Nutzung ausgelegten Messplätze sollen, unterstützt von Personal und Infrastruktur der PTB, von externen Partnern genutzt werden können.

Elektrische Quantenmetrologie

Die PTB forscht und entwickelt seit vielen Jahren im Bereich elektrischer Quantennormale auf höchstem Niveau als Basis für die Darstellung der elektrischen Einheiten im Internationalen Einheitensystem (SI). Die Industrie wird jedoch mittelfristig von den intrinsischen Vorteilen quantenbasierter elektrischer Messtechnik – hochgenaue Messungen rund um die Uhr ohne durch Rekalibrierung verursachte Ausfallzeiten – nur dann profitieren können, wenn die Betriebsbedingungen vereinfacht werden und die Bedienbarkeit durch Automatisierung erhöht wird. Das QTZ bietet die Möglichkeit, den Einsatz neuer Materialien zur Vereinfachung der Betriebsbedingungen elektrischer Quantennormale systematisch zu untersuchen und zu entwickeln und die Automatisierung quantenbasierter elektrischer Messtechnik zu verbessern, abzielend auf späteren industriellen Einsatz („elektrische Quantenmetrologie on the workshop floor“).

Opens internal link in current windowElektrische Quantenmetrologie

Opens internal link in current windowQuantenelektronik

Ionenfallen

Ionenfallen stellen eine Schlüsseltechnologie für die QT dar. Auf Ihnen basieren aussichtsreiche Ansätze für Quantencomputer und -simulation, die das sehr hohe Maß an Isolation und Kontrolle über die Ionen als Qubits ausnutzen. Die an der PTB entwickelte Ionenfallentechnologie wird beispielsweise im QVLS-Konsortium (Opens external link in new windowwww.qvls.de) zur Entwicklung eines auf Ionenfallen basierten Quantencomputers verwendet. Weiterhin eigenen sich Ionenfallen ausgezeichnet für die Frequenzmetrologie. Einerseits sind hier Frequenzstandards mit allerhöchster Präzision und neue Entwicklungen wie die Multiionenuhr möglich. Andererseits wurde im Projekt opticlock (www.opticlock.de) an der PTB diese Technologie erstmals weltweit erfolgreich von einem Konsortium von Industriepartnern und Partnern aus der Forschung zu einer nutzerfreundlichen und robusten  optischen Atomuhr weiterentwickelt, die ein sehr hohes Potential für Anwendungen in der Wirtschaft besitzt.

Opens external link in new windowSkalierbare Chip-Ionenfallen

Opens external link in new windowMehrlagige Ionenfallen

Quantenmetrologie für Zeit und Frequenz und ultrastabile Laser

Die PTB arbeitet weltweit führend an der Entwicklung von optischen Atomuhren und der dazugehörigen Komponenten, wie z.B. mikrostrukturierten Atomfallen, ultrastabilen Lasern und Glasfaserstrecken für Frequenzübertragung und transportablen optischen Uhren. Darauf aufbauend wurden im Rahmen von Transferprojekten und dem BMBF-Quantentechnologie-Pilotprojekt „opticlock – Einzelionenuhr für Anwender“ bereits einzelne Komponenten wie auch ganze transportable Uhrensysteme zusammen mit deutschen KMU entwickelt.

Quantenkommunikation, Quantenkryptographie und Quantenradiometrie

Die PTB kalibriert Einzelphoton-Detektoren, beispielsweise Silizium- und Indiumgalliumarsenid-Single-Photon Avalanche Dioden sowie supraleitende Nanodrahtdetektoren mit der weltweit kleinsten Messunsicherheit. Darüber hinaus entwickelt die PTB absolut charakterisierte Einzelphotonenquellen als neue Standardstrahlungsquellen für die Radiometrie und die Quantenkommunikation. Für die flächendeckende Implementierung der Quantenkommunikation und Quantenkryptographie ist die genaue Charakterisierung der verwendeten Quellen, Detektoren und Übertragungskanäle eine unabdingbare Voraussetzung.

Opens internal link in current windowMetrologie für Einzelphotonenquellen basierend auf Gitter-Fehlstellen

Opens internal link in current windowMetrologie für Einzelphotonenquellen basierend auf Quantenpunkten

Quantenmagnetfeldsensoren

Zwei Quantentechnologien, die sich bereits in der Anwendung befinden, sind supraleitender Quanteninterferometer (SQUID -Superconducting Quantum Interference Device) und optisch gepumpte Magnetometer (OPM) zur ultrasensitiven Magnetfeldmessung und der empfindlichen Messung physikalischer Größen, die sich in magnetischen Fluss wandeln lassen, wie z.B. elektrischer Strom. So werden z.B. SQUID-Magnetometer schon seit Jahren erfolgreich dazu benutzt, die minimalen Magnetfelder zu messen, die von der neuronalen Aktivität des menschlichen Gehirns erzeugt werden (Magnetoenzephalographie, MEG). Weitere neue biomedizinische Analyse- und Diagnosemethoden werden unter Nutzung dieser Quantensensoren u.a. in der PTB vorangetrieben.

Opens internal link in current windowSupraleitenden Quanteninterferometern (SQUIDs)

Opens internal link in current windowUltra-sensitive SQUID Systeme für biomagnetische Messungen

Opens internal link in current windowOptisch gepumpte Magnetometer zur Messung kleinster Magnetfelder

Opens internal link in current windowGerätezentrum Metrologie für ultra-niedrige Magnetfelder

Neue Gebäude und Räumlichkeiten für das QTZ

Lummer-Pringsheim-Bau in Braunschweig (Fertigstellung 2023)
Walther-Meißner-Bau in Berlin (Fertigstellung 2021)

Als zentrale QT-Anlaufstelle und für die effektive Bündelung der QT an der PTB wird das QTZ sowohl in Braunschweig als auch in Berlin unter einem Dach neue Räumlichkeiten beziehen. Hiermit sollen effektiv die oben beschriebenen Ziele verfolgt werden und die an der PTB vorhandene QT-Expertise besser für die Wirtschaft sichtbar und nutzbar gemacht werden. Insbesondere das Konzept der Anwenderplattformen für externe Nutzer stellt in dieser Form einen neuen Ansatz für die PTB dar, die sich auch in der Auslegung des neuen Gebäudes widerspiegelt. So werden bereits im Konzept Büroräume für externer Partner für die ausgedehnte Nutzung der QT-Infrastruktur und ein Schulungs- und Seminarraum vorgesehen. Die fehlende Infrastruktur im Bereich der Messtechnik und Metrologie ist heute in vielen Feldern der Quantentechnologien ein limitierender Faktor für den erfolgreichen Transfer der wissenschaftlichen Entwicklung in den industriellen Bereich. Diese Gebäude werden daher eine wichtige Säule zur Sicherstellung des Erfolgs der Quantentechnologien in Deutschland spielen. In Braunschweig wird der neue Lummer-Pringsheim-Bau die meisten Messplätze der Anwenderplattformen in Braunschweig beherbergen, in Berlin werden entsprechende Räumlichkeiten im Walter-Meißner-Bau genutzt werden.