Aufregende Zeiten in den Quantentechnologien

Mit dem neuen Ausstellungsbereich World of QUANTUM führt die LASER World of PHOTONICS vom 26. – 29. April 2022 die wichtigsten industriellen und wissenschaftlichen Akteure aus den Quantentechnologien zusammen. Im Interview greifen wir dieses Miteinander von Industrie und Forschung auf. Prof. Immanuel Bloch, Inhaber des Lehrstuhls für Experimentalphysik der LMU München, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und einer der Sprecher des Exzellenzclusters Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST) erörtert mit Dr. Thomas Renner, Vorstand der TOPTICA Photonics AG, welche Laser und photonischen Lösungen für quantentechnologische Anwendungen der Gegenwart gefragt sind – und welche Weiterentwicklungen in Zukunft zu erwarten sind.

Herr Prof. Bloch, kurz vorweg: Was hat es mit dem Münchener Excellenzcluster auf sich? Geht es um Grundlagenforschung oder um konkrete Anwendungen?

Prof. Immanuel Bloch: Im Cluster geht es eher um die Grundlagenforschung. Aber wir haben hier in München ja auch das Munich Quantum Valley, in dem die anwendungsnahe Technologieentwicklung im Vordergrund steht. Beide Initiativen greifen ineinander. Und in der Region ist das ganze Spektrum von Quantencomputing und -simulation über die Quantenkommunikation bis hin zu Anwendungen in der Metrologie und Sensorik abgedeckt. Eine wichtige Säule im MCQST ist die Ausbildung. So haben wir einen neuen Masterstudiengang im Bereich der Quantenwissenschaften und -technologien eingerichtet, der auf enorme Resonanz stößt. Wir hatten allein in diesem Jahr 300 internationale Bewerbungen, von denen wir circa 100 zugelassen haben. Die Industrie ruft nach Absolventen, um die Fülle an Herausforderungen in diesem Zukunftsfeld personell stemmen zu können.

Dr. Thomas Renner: Das kann ich bestätigen! Allein wir haben aktuell 60 offene Stellen zu besetzen.

Herr Dr. Renner, noch spielt sich die 2. Quantenrevolution eher in wissenschaftlichen Sphären ab. Inwieweit handelt es sich dennoch um einen interessanten Markt für TOPTICA?

Dr. Thomas Renner: Auch wir teilen dieses Feld in Grundlagenforschung und Applikation auf. Unsere Ursprünge liegen in der Wissenschaft. TOPTICA ist vor fast 25 Jahren als wissenschaftliche Ausgründung gestartet und hat nach wie vor sehr enge Bezüge zur Forschung. Allein 60 unserer 400 Beschäftigten haben eine Promotion in Quantenphysik und Quantenoptik und bringen ihr Wissen nicht nur in unsere Forschung und Entwicklung, sondern auch in Vertrieb, Applikation, Produktmanagement und Produktion ein. Bei der Realisierung von Lasersystemen und anderen photonischen Lösungen holen wir uns Impulse und technologische Schärfe aus der Forschung, die uns in allen anderen Anwenderbranchen zugutekommt. Denn in der Wissenschaft sind die Anforderungen an die Präzision und Stabilität am höchsten. Wer hier technologisch besteht, profitiert davon in allen anderen Bereichen. Nun ist die Quantentechnologie auf dem Sprung aus der Grundlagenforschung in die industrielle Anwendung. Damit ändern sich die Anforderungen an die Bauart und -größe der Systeme, an das Kostenniveau und die Usability. Hier hilft uns, dass wir seit Jahren rund 50 Prozent unserer Laser an die Industrie liefern.

Können Sie die anstehenden Veränderungen etwas konkretisieren?

Renner: Quantenanwendungen – beispielsweise Quantencomputer – sind wissenschaftlich relativ gut verstanden. Aber ein Qubit benötigt heute bis zu ein Dutzend Laser mit unterschiedlichsten Wellenlängen, die nicht zu den klassischen Standardwellenlängen wie 633 oder 1064 nm zählen. Diese Laser müssen obendrein höchste Stabilitäts- und Linienbreitenanforderungen erfüllen. Die Fülle an Lasern braucht es für die verschiedenen Prozessschritte eines Quantencomputers: Erzeugen, Kühlen, Fangen oder Präparieren der Atome bzw. Ionen oder zum Erzeugen der Verschränkung. Bisher füllte die erforderliche Technik für ein Qubit einen hunderte Kilogramm schweren, schwingungsgedämpften optischen Labortisch. Im ersten Schritt ist es gelungen, diesen Aufbau samt Lasern in einem mannshohen Schaltschrank unterzubringen. Schon das war sehr anspruchsvoll. Nun geht es darum, die Technik weiter zu miniaturisieren. Denn Quantencomputer brauchen nicht nur ein Qubit, sondern um damit sinnvolle Rechenoperationen durchführen zu können eher 50 oder mehr, inklusive Fehlerkorrekturen dann noch einmal eine Größenordnung mehr. Um das zu erreichen, brauchen wir ganz andere, kompaktere und leistungsstärkere Lasersysteme, die dennoch bezahlbar bleiben müssen. Daran arbeiten wir, um wissenschaftliche Schärfe in industrielle Produkte zu übersetzen und die Quantenmärkte der kommenden Jahrzehnte bedienen zu können. Es geht um Miniaturisierung und um Lösungen, die mit einem Lasersystem gleichzeitig tausend einzeln kontrollierbare Strahlen erzeugen und dann entsprechend in die Quantencomputersysteme einkoppeln.

Wofür setzen Sie in Ihrer Forschung Laser und andere photonische Werkzeuge und Methoden ein, Herr Prof. Bloch?

Bloch: Bei uns geht es in erster Linie um Quantencomputing und Quantensimulatoren. Wir nutzen Laser, um Atome zu kühlen, um sie mit Laserpinzetten zu fangen und sie zu positionieren und dabei räumlich anzuordnen. Und wir brauchen extrem stabile rauscharme Lasersysteme, um die Qubits zu manipulieren. Tatsächlich spüren wir momentan die technologischen Limits, die Herr Dr. Renner eben angesprochen hat. Es ist eine äußerst komplexe Aufgabe, die vielen verschiedenen Lasersysteme am Laufen zu halten und zu kontrollieren. Das angesprochene Rack mit 1000 Strahlen aus einem Laser würde ich sofort nehmen (lacht). Wir brauchen zuverlässige, einfacher bedienbare, kompakte und in Zukunft auch modularisierte Lösungen. Dafür kooperieren wir mit Industriepartnern, denen wir unsere Anforderungen und bisherige Engstellen in der Anwendung erklären.

Herr Dr. Renner, heutige Ansätze für Quantencomputer basieren nur zum Teil auf Photonik. In welchen Anwendungen erwarten Sie für die Photonik-Industrie größere Marktpotenziale?

Renner: Hier möchte ich widersprechen. Die meisten Ansätze im Quanten-Computing sind optisch kontrolliert. Es ist nur so, dass die Akteure, die auf Supraleiter setzen, aktuell in den Medien wahrnehmbarer sind. Wer das Rennen macht, ist offen. Es gibt mindestens vier vielversprechende Technologien, die intensiv auf Photonik setzen: Ionen- und neutralatombasierte Ansätze, photonische Quantencomputer oder der Ansatz auf Basis von Farbzentren in Diamant. Firmen wie IonQ, Pasqal, Alpine Quantum Technologies GmbH (AQT), Coldquanta oder Honeywell Quantum Solutions haben großartige Konzepte. Häufig wird beim Vergleich der Ansätze nur auf die Anzahl der Qubits geachtet. Aber es kommt auch auf ihre Kohärenzzeit, die Gatter-Fidelity und Konnektivität – die Fachwelt spricht von Quanten-Volumen – an. Und da sind optisch kontrollierte Systeme heute klar im Vorteil.

Bloch: Allein schon die notwendige Kühlung der Apparatur erschwert die Skalierung. Dies würde bei Millionen von Qubits riesige Kryostaten erfordern, die so nicht existieren. Das verdeutlicht ein wenig die Herausforderung und den aktuellen Stand der Technik. Skalierung setzt optimierte Prozesskontrolle voraus – und es ist völlig offen, bei welchen der beschriebenen Technologiepfade das am besten gelingt. Klar ist aber, dass die optischen Ansätze (gerade mit Ionen und Atomen) in erster Linie in Europa verfolgt werden und wir hier eine sehr gute technologische Basis mit einer starken Photonik-Industrie und -Forschung haben. Wir können hier auf jeden Fall den Trend setzen.

Renner: Da bin ich bei Ihnen. Ob Laser, Frequenzkämme und Detektoren oder die Breite der Anwenderbranchen: Europa hat beste Voraussetzungen, um den Markt zu prägen. Hier gibt es die Anwender, die hochkomplexe Simulationen und Rechenoperationen mithilfe des Quantencomputing durchführen wollen. Ob Chemie- und Pharmakonzerne, Versicherungen und Banken oder auch der zunehmend vernetzte Mobilitätssektor auf Schienen und Straßen.

Bloch: Und auch abseits der Computer gibt es in der Quantenmetrologie und -Sensorik oder in der Quantenkommunikation große Nachfrage aus den hier beheimateten Industrien. Und auch hier tun sich große Märkte für die Photonik auf. Ob Atomuhren, Gravimeter, Navigationssysteme. Der Treiber ist zwar heute in vielen Fällen die Vision des Quantencomputings. Aber ich bin überzeugt, dass jeder Fortschritt, den wir in diesen Bereich erzielen, alle anderen Anwendungen und Märkte beflügeln wird. Bessere Uhren, präzisere Spurengasanalysen oder sensiblere Messinstrumente. Und natürlich präzisere, leistungsstärkere und rauschärmere Laser. Das Schöne ist, dass die Anwendungsfelder technologisch miteinander gekoppelt sind. Wenn Sie eine Atomuhr gebaut haben, haben Sie schon die halbe Strecke zum Quantencomputer hinter sich. Es fallen also auf dem Weg zum Quantencomputer zahlreiche mögliche Produkte ab, für die es schon heute einen Markt und damit mögliche Einnahmequellen gibt…

…die Laien wie mich an geistige Kapazitätsgrenzen bringen. Wo Atome lasergekühlt, Einzelphotonen gezählt und manipuliert werden, sind die Präzisionsanforderungen enorm. Wie sind Ihre in Vielteilchensystemen umgesetzten Prozesse mess- und kontrollierbar?

Bloch: Im Moment kontrollieren wir typischerweise rund 1000 Atome, die wir perfekt mit definierten Abständen im Raum positionieren, kontrollieren und bewegen können. Auch ihre Zustände können wir mit den heutigen Systemen gut kontrollieren. In der Quantensimulation interessierten uns vor allem die Wechselwirkungen zwischen diesen Atomen. Diese können wir gezielt einstellen und dann die Atome direkt fotografieren und die Fotos genau analysieren, indem wir die Position jedes einzelnen Atoms auslesen.

Im Ernst: Fotos?

Bloch: Ja, wir können die Abstände der lasergekühlten Atome per Laserpinzette oder mithilfe optischer Gitter relativ frei bestimmen und bewegen uns hier im Mikrometerbereich. Das lässt sich optisch sehr gut abbilden. Und es geht uns nicht um die absoluten Längenskalen, sondern um die Relation physikalischer Längenskalen zueinander. Anders als mit einem Röntgenmikroskop den Blick in ein Material und dessen Atome hineinzuwerfen, ziehen wir die Atome beliebig auseinander und „vergrößern das Material“ sozusagen und schauen uns dann an, wie es auf äußere Einflüsse reagieren.

Oft wird beklagt, die Lücke zwischen Forschung und Anwendung sei zu groß. Wie gelingt es TOPTICA, mit dem wissenschaftlichen Fortschritt Schritt zu halten und praktikable Produkte daraus abzuleiten?

Renner: Das gelingt vor allem dadurch, dass wir so nah an der Forschung arbeiten. Unsere Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen – ich hatte die hohe Zahl der Promovierten ja erwähnt – sind im Schnitt zwischen 30 und 40 Jahre alt, haben in der Regel im Studium selbst Experimente mit photonischen Instrumenten durchgeführt und wissen daher, worauf es ankommt. Allein durch sie haben wir einen engen Draht zur aktuellen Forschung. Und rund 10.000 unserer Laser sind aktuell in der wissenschaftlichen quantenoptischen Anwendung. Jeder verkaufte Laser ist mit vielen Gesprächen verbunden: Beratung, Spezifikation oder Planung des Laboraufbaus. Dieser Erfahrungsaustausch in beide Richtungen hilft uns, am Ball zu bleiben und Lösungen anzubieten, die Anwendern tatsächlich weiterhelfen. Weitere Impulse kommen aus Förderprojekten, an denen wir uns beteiligen. Allein in den Quantentechnologien arbeiten wir aktuell bei rund einem Dutzend Projekten mit.

Herr Prof. Bloch, wenn Sie für Ihre Forschung eine Wunschliste an photonischen Innovationen schreiben sollten, was wären Ihre drei wichtigsten Wünsche?

Bloch: Ich möchte mich nicht mehr um die Laser kümmern müssen. Und wenn mal etwas kaputtgeht, möchte ich das entsprechende Modul austauschen und weiterarbeiten. Da möchten wir hin. Wie diese Systeme im Einzelnen ausgelegt sind, ob mit vielen Lasern oder Multiplexer-Strahlmodulatoren, ist für uns unerheblich. Wichtig sind die Funktionalität und Performance. Die Laser schnell mit einem hohem Kontrastverhältnis schalten können, benötigte Wellenlängen unkompliziert nutzen können, rauscharm mit stabilen Frequenzen und minimaler Linienbreite. Wir brauchen immer das Beste, um die Grenzen des Machbaren immer weiter zu verschieben. Vielleicht sehe ich vor dem Ende meiner Karriere noch das eingangs beschriebene Rack mit den 1000 Strahlen aus einem Laser.

Renner: Das bekommen wir noch vor Ihrem Ruhestand hin (lacht).

Klingt interessant. Gibt es physikalische und technische Hürden, die Sie gerne schon hinter sich gelassen hätten, um der Quantenforschung neue Wege zu ebnen?

Renner: Der Wunschzettel von Herrn Bloch zählt die harten Nüsse auf, die es zu knacken gilt. Wir können uns dabei teilweise an Lösungen aus anderen Feldern orientieren. So ist es in der konfokalen Mikroskopie Stand der Technik, dass die verschiedenen Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen vom Nebentisch ins Gerät gewandert sind. Es gibt heute entsprechende Module mit einem halben Dutzend Laser, die jeweils per Mausklick angesteuert und eingekoppelt werden. Diesen Stand der Technik streben wir auch bei Quantensystemen an. Die Herausforderungen dabei: die erforderlichen Linienbreiten sind sehr schmal und die Stabilitätsanforderungen sehr hoch. Zudem treiben die bevorzugten schwierigen Wellenlängen – oft im UV-Bereich – den Entwicklungsaufwand und die Kosten in die Höhe. Die Arbeit in der Laserentwicklung, elektronischen Ansteuerung, Materialentwicklung oder auch an integrierten photonischen Schaltungen (photonic integrated circuits PICs) wird uns so schnell nicht ausgehen. Mit der zweiten Quantenrevolution brechen für unsere Branche aufregende Zeiten an!