Fraunhofer Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF
Quantentechnologien nähern sich der Anwendung
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Durch intensive Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten in den vergangenen Jahren sind die Quantentechnologien auf einem guten Weg Richtung Anwendung. Das Fraunhofer IAF zeigt seine neuesten Forschungsergebnisse in den Bereichen Quantensensorik und Quantencomputing-Hardware sowie ‑Software bei der Erstauflage der Fachmesse Quantum Effects am 10. und 11. Oktober 2023. Fachleute aus Forschung und Forschungsmanagement präsentieren einem internationalen Publikum die Möglichkeiten der Quantentechnologien anhand von Demonstratoren, Vorträgen und Service- sowie Schulungsangeboten.
Quantenmagnetometer können Magnetfelder in bislang unerreichter Präzision messen. Quantencomputer haben das Potenzial, in Sekundenschnelle komplexe Probleme zu lösen, für die selbst heutige Supercomputer Jahre bräuchten. Um die Vorteile dieser und weiterer Quantentechnologien schnell in die industrielle Anwendung zu bringen, entwickeln Forschende des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF in Kooperation mit Forschungseinrichtungen und Unternehmen innovative Quantensensoren und Quantencomputer-Hardware sowie -Software. Ergebnisse und Perspektiven ihrer Arbeit stellt das Fraunhofer IAF als Teil des Landesstandes Baden-Württemberg (Halle 2, Stand 2D15) am 10. und 11. Oktober auf der Quantum Effects in Stuttgart vor, die 2023 erstmals stattfindet.
Quantensensorik auf Basis von NV-Zentren in Diamant
Mithilfe von Stickstoff-Vakanz-Zentren (nitrogen vacancy centers, NV-Zentren) in hochreinem Diamant lassen sich extrem präzise Quantensensoren für neuartige Anwendungen in der Messtechnik oder Medizin erzeugen. Im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojekts »QMag – Quantenmagnetometrie« hat das Fraunhofer IAF mit diesem Ansatz ein Weitfeld-Magnetometer entwickelt, das bei Raumtemperatur und ohne Abschirmung natürlicher Magnetfelder arbeitet. Es bietet bei hoher Messgeschwindigkeit eine Sensitivität von < 10 µT und eine räumliche Auflösung von < 1 µm. Der als Quantensensor genutzte Diamant wird vor Ort am Fraunhofer IAF gewachsen.
Forschende des Fraunhofer IAF stellen einen Demonstrator des Weitfeld-Magnetometers bei der Quantum Effects aus. Ergänzend hält Niklas Mathes, Wissenschaftler und Doktorand im Bereich Quantensensorik am Fraunhofer IAF, am 10. Oktober zwischen 13:00 und 14:20 Uhr einen Vortrag im Rahmen des QBN Quantum Industry Summit. Darin geht er tiefer auf das Messen von Magnetfeldern in hoher räumlicher Auflösung mithilfe von NV-Zentren in Diamant ein.
Quantencomputing-Hardware: Mit Diamant-basierten Spin-Qubits zum skalierbaren Quantenprozessor
Zu den Hürden auf dem Weg zur nutzbringenden Anwendung von Quantencomputern zählen unter anderem die Fehleranfälligkeit, extrem kurze Rechenzeiten und der hohe, energieintensive Kühlbedarf von aktuellen Systemen und deren Grundbausteinen, den Quantenbits (Qubits). Am Fraunhofer IAF entwickeln Forschende im Rahmen der Projekte »SPINNING« und »QC4BW II« skalierbare Lösungen für zuverlässige Quantencomputing-Hardware auf Basis von Spin-Qubits in Diamant, die lange Rechenzeiten, hohe Qubit-Kontrolle und geringen Kühlbedarf ermöglichen sollen. Die Forschenden haben die Kontrolle Spin-basierter Qubits bereits demonstriert und damit einen ersten Meilenstein erzielt.
Das Setup zur Kontrolle Spin-basierter Qubits stellen die Forschenden ebenfalls auf der Quantum Effects aus. Einen ergänzenden Vortrag über Entwicklung und Benchmarking eines Diamant-basierten, spintronischen Quantenregisters für einen aufskalierbaren Quantenprozessor hält Dr. Daniel Hähnel am 11. Oktober um 10:00 Uhr auf der QuantumBW-Bühne.
Quantencomputing-Software: Fehlerkorrektur und resiliente Algorithmen mit QAOA
Bis Quantencomputing-Hardware die nötige Zuverlässigkeit erreicht, um praxistauglich zu arbeiten, ermöglichen Fehlerkorrekturverfahren und fehlerresiliente Quantenalgorithmen das Potenzial von Quantencomputern zu nutzen. Im Projekt »QORA II« entwickeln Forschende unter Koordination des Fraunhofer IAF Optimierungsverfahren auf der Grundlage des Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA) und erproben diese auf dem von der Fraunhofer-Gesellschaft betriebenen IBM Quantum System One in Ehningen bei Stuttgart.
Der verantwortliche Projektleiter am Fraunhofer IAF, Dr. Thomas Wellens, erläutert die Fortschritte der Quantenoptimierung mit resilienten Algorithmen am 11. Oktober um 14:30 Uhr in einem gemeinsamen Vortrag mit Dr. Vamshi Katukuri vom Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO auf der QuantumBW-Bühne.
Vernetzung in Freiburg und Baden-Württemberg
Seit dem Beginn seiner Forschungsaktivitäten im Bereich der Quantentechnologien hat sich das Fraunhofer IAF systematisch mit wissenschaftlichen Einrichtungen, Industrieunternehmen und Start-ups sowie fördermittelgebenden Institutionen vernetzt. Innerhalb des Standorts bildet das Fraunhofer IAF gemeinsam mit den Fraunhofer-Instituten für Physikalische Messtechnik IPM und für Werkstoffmechanik IWM den Quantum Sensing Hub Freiburg. Die Institute bieten ihre kombinierte Expertise und Infrastruktur im Bereich der Quantenmagnetometrie für unterschiedliche Anwendungsfälle an, beispielsweise in der Materialanalyse, der biologischen Bildgebung oder der medizinischen Diagnostik.
In Baden-Württemberg koordiniert das Fraunhofer IAF zusammen mit dem Fraunhofer IAO das Kompetenzzentrum Quantencomputing Baden-Württemberg (KQCBW). Durch die gemeinsame Förderung des baden-württembergischen Ministeriums für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus sowie der Fraunhofer-Gesellschaft werden fünf Projekte mit Verbundpartnern aus Wissenschaft und Wirtschaft durchgeführt. Im Rahmen des KQCBW bieten die Institute Fraunhofer IAF und IAO zudem Schulungen zur Funktionsweise und zu Anwendungen des Quantencomputings an.
Als Teil der Geschäftsstelle ist das Fraunhofer IAF außerdem in der neu gegründeten Landesinitiative QuantumBW aktiv, die von den baden-württembergischen Ministerien für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus sowie für Wissenschaft, Forschung und Kunst gefördert wird. Ziel der Initiative ist es, die wissenschaftlichen und wirtschaftlichen Kompetenzen des Landes in den Quantentechnologien zu bündeln und auszubauen. In dieser Funktion präsentiert sich QuantumBW als Welcome Desk des Landesstandes Baden-Württemberg auf der Quantum Effects (Halle 2, Stand 2D15). »Auf dem Landesstand haben wir tolle Mitausstellende aus unserem QuantumBW-Netzwerk versammelt, die zeigen, wie stark THE LÄND im Bereich der Quantenforschung schon ist. Wir freuen uns darauf, uns und unser Netzwerk auf der Quantum Effects vorzustellen«, so Lukas Kübler von der Geschäftsstelle QuantumBW.
Vernetzung in Deutschland und Europa
Bundesweit ist das Fraunhofer IAF durch die Zusammenarbeit in den Projekten »SPINNING« und »QMag« mit Industrieunternehmen, Startups und Forschungseinrichtungen vernetzt. Hinzu kommt der Austausch mit Partnern und Kunden in den europäisch agierenden Netzwerken QBN, iQuSense und EPIC sowie dem durch die Europäische Union geförderten Projekts »MATQu«, das mittelständischen Unternehmen und Startups europaweit Zugang zu Know-how und Infrastruktur ermöglicht.
Einen Überblick über die zahlreichen, in den vergangenen fünf Jahren gewachsenen Kooperationen zwischen Fraunhofer IAF, wissenschaftlichen Einrichtungen und der Industrie gibt Deborah Mohrmann in ihrem Vortrag am 11. Oktober um 15:50 Uhr auf dem QBN Quantum Industry Summit.
Alle Vorträge im Überblick
10. Oktober 2023, 13:00 Uhr, ICS Conference Room C7.2 und C7.3
Niklas Mathes: »High spatial resolution magnetic sensing based on NV centers in diamond«
11. Oktober, 10:00 Uhr, QuantumBW-Bühne
Dr. Daniel Hähnel: »Development and benchmarking of a diamond-based spintronic quantum register for scalable systems«
11. Oktober, 14:30 Uhr, QuantumBW-Bühne
Dr. Thomas Wellens und Dr. Vamshi Katukuri: »Quantum optimization with resilient algorithms«
11. Oktober, 15:50 Uhr, ICS Conference Room C1.1.2
Deborah Mohrmann: »Get entangled – Establishing partnerships between science and industry in quantum technologies«
Weitere Informationen
KQCBW: https://www.iaf.fraunhofer.de/de/netzwerker/KQC.html
Quantum Sensing Hub Freiburg: https://www.iaf.fraunhofer.de/en/networkers/quantum-sensing-hub-freiburg.html
Quantensysteme am Fraunhofer IAF: https://www.iaf.fraunhofer.de/de/kunden/quantensysteme.html
QuantumBW: https://www.quantumbw.de/de/
Projekt »MATQu«: https://www.iaf.fraunhofer.de/de/forscher/elektronische-schaltungen/Hochfrequenzelektronik/matqu.html
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Über das Fraunhofer IAF
Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF ist eine der weltweit führenden Forschungseinrichtungen auf den Gebieten der III/V-Halbleiter und des synthetischen Diamanten. Auf Basis dieser Materialien entwickelt das Fraunhofer IAF Bauelemente für zukunftsweisende Technologien, wie elektronische Schaltungen für innovative Kommunikations- und Mobilitätslösungen, Lasersysteme für die spektroskopische Echtzeit-Sensorik, neuartige Hardware-Komponenten für Quantencomputer sowie Quantensensoren für industrielle Anwendungen. Mit seinen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten deckt das Freiburger Forschungsinstitut die gesamte Wertschöpfungskette ab – angefangen bei der Materialforschung über Design und Prozessierung bis hin zur Realisierung von Modulen, Systemen und Demonstratoren.
Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF Tullastraße 72 | 79108 Freiburg
Dr. Armin Müller Marketing und Kommunikation +49 761 5159-670 www.iaf.fraunhofer.de