Was ist das QTZ?
Das Quantentechnologie-Kompetenzzentrum (QTZ) an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt soll eine wichtige Basis für industrielle Entwicklungen schaffen. Die PTB vereint eine 
international anerkannte, fachliche Kompetenz im Bereich der Quantenmetrologie und -sensorik mit dem gesetzlichen Auftrag, die deutsche Industrie im Bereich des Messwesens zu unterstützen.
Wichtiges Ziel des Kompetenzzentrums ist die Unterstützung der Wirtschaft – mit besonderem Fokus auf Start-ups sowie kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) – beim anwendungsorientierten Transfer von Forschungsergebnissen. Das QTZ ergänzt die vorhandenen Forschungs- und Entwicklungsfähigkeiten und Dienstleistungen mit dem Schwerpunkt auf sich entwickelnden Bedarfen der Wirtschaft und aktivem Technologietransfer.
Aktuelles
„Wir haben viele Projekte gestartet und wachsen kräftig“, sagt der Leiter des QTZ, Dr. Nicolas Spethmann in diesem Interview mit dem Innovationsportal der Stadt Braunschweig. Mehr dazu unter: Quantentechnologie-Kompetenzzentrum (QTZ) | Besser Smart – Das Innovationsportal (braunschweig.de)
„ Von der Sekunde zur Atomuhr“
Wie hat die sogenannte Revolution des internationalen Einheitensystems im Mai 2019 die Entwicklung von Quantentechnologien bisher beeinflusst? Was für eine Bedeutung hat die Quanten-Metrologie und -Sensorik für Unternehmen? Warum spielen die Physikalisch-Technischen Bundesanstalt und das Quantentechnologie-Kompetenzzentrum in dieser Entwicklung der Quantentechnologie eine große Rolle? Wie sieht das Potenzial und die Anwendung in der Industrie zukünftig aus?
Antworten auf diese und viele andere spannende Fragen gibt Dr. Nicolas Spethmann vom Quantentechnologie-Kompetenzzentrum (QTZ) der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt. Spethmann war zu Gast in der vierten Podcast- Folge „Quantenradar“ - Ein Technologie Podcast des Instituts für Innovation und Technik. Die Folge 4 hören Sie unter dem Link : „QUANTENRADAR – Ein Technologie-Podcast des iit“ auf Apple Podcasts
Das QTZ präsentiert sich vom 10. bis 11. Oktober 2023 in Stuttgart bei der Quantum Effects. Besuchen Sie uns in Halle C2 auf Stand 2B11. Wir werden dort einen virtuellen Rundgang durch unserer Ionenfallen-Anwenderplattform zeigen.
Das QTZ präsentiert sich vom 16. bis 20. Oktober 2023 bei der European Quantum Technologies Conference im Convention Center auf dem Gelände der Hannover Messe. Das QTZ wird Teil des QVLS-Standes sein – gemeinsam mit den Projekten QVLS-ILabs und QVLS-HTI. Außerdem sind auch die Projekte SQuaD und QTindu auf der EQTC vertreten.
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“).
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 (www.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.
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.
Metrologie für Einzelphotonenquellen basierend auf Gitter-Fehlstellen
Metrologie 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.
Supraleitenden Quanteninterferometern (SQUIDs)
Ultra-sensitive SQUID Systeme für biomagnetische Messungen
Optisch gepumpte Magnetometer zur Messung kleinster Magnetfelder