Photonische Quantentechnologien – Wegweisende Impulse aus dem Rheinischen Revier

Am 7.3.2022 fiel der Startschuss für das von der Landesregierung NRW initiierte Kompetenznetzwerk »EIN Quantum NRW«. Darin bündeln führende Universitäten und Forschungseinrichtungen des Landes NRW ihre exzellente Expertise zur Erforschung und Umsetzung von Quantentechnologien, um Akteure aus Wirtschaft und Wissenschaft bei der effektiven Vernetzung zu unterstützen und Wissens-Infrastrukturen zu schaffen. Mit an Bord ist die Fraunhofer-Gesellschaft, die sich von ihrem traditionellen Arbeitspunkt her auf den Technologietransfer in die Industrie konzentriert.

Gemeinsam mit den in NRW ansässigen Fraunhofer-Instituten FHR, IAIS, IMS und SCAI initiiert in diesem Umfeld das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT zusammen mit dem Forschungszentrum Jülich ein Center of Quantum Science and Engineering (CQSE) im Rheinischen Revier. Damit treiben die Partner den Aufbau eines wachstumsstarken Innovationsökosystems für Quantentechnologien vor Ort in NRW voran und bilden in Deutschland eine relevante Säule für die praxisbezogene Forschung und Entwicklung.

Auf internationaler Ebene schlossen sich bereits im Dezember 2021 die Fraunhofer-Gesellschaft und das niederländische Forschungszentrum QuTech mit einem Memorandum of Understanding zu einer engen und langfristigen Kooperation im Bereich Quantennetzwerke zusammen. Im Vorlauf dieser Kooperation erzielten das Fraunhofer ILT und das QuTech einen entscheidenden Erfolg für die Realisierung eines stabilen Quanteninternets – einen Quantenfrequenzkonverter mit einem Weltrekord an Rauscharmut. Dies ermöglicht den effizienten Transfer von Quanteninformationen durch bereits installierte Glasfaserleitungen der Telekommunikationsdienstleister. Eine Voraussetzung für die zügige Vernetzung von Quantencomputern an unterschiedlichen Standorten. Auf dieser Basis plant das Fraunhofer ILT in Aachen den ersten deutschen Quantenknoten in einem länderübergreifenden von QuTech koordinierten Quantennetzwerk, das die Städte Delft, Leiden, Den Haag und Amsterdam einschließt. 

Quantentechnologien bieten ein enormes Potenzial für die Entwicklung disruptiver Anwendungen in Bereichen wie der Bildgebung, Messtechnik, Kommunikation und beim Computing. Mit internationalen Partnern aus Forschung und Industrie entwickelt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT laserbasierte Lösungen für die Umsetzung und Anwendung der Quantentechnologien 2.0, bei denen die Quanteneigenschaften mikroskopischer Systeme und einzelner Teilchen kontrolliert eingestellt, verändert und detektiert werden können.

Der Präzisions-Werkzeugkasten von Wissenschaft und Industrie kann mit dem Einsatz von Quantentechnologien der zweiten Generation um völlig neue Möglichkeiten erweitert werden. Erste Umsetzungen in der sicheren Kommunikation, der hochsensitiven Messtechnik oder bei komplexen Computing-Aufgaben wie in Chemie, Medizin, Klimaforschung oder Logistik verdeutlichen schon heute das disruptive Potenzial zukünftiger Anwendungen und begründen beeindruckende Marktprognosen anerkannter Wirtschaftsexperten, sowie Milliarden-Investments von Tech-Konzernen und starke öffentliche Förderprogramme der führenden Volkswirtschaften. Prof. Constantin Häfner, Leiter des Fraunhofer ILT, bringt die Zielrichtung der weiteren Aktivitäten auf den Punkt: »Um in Europa die disruptiven Anwendungen der Quantentechnologien langzeitig zu erschließen, müssen wir jetzt Hand-in-Hand diese sukzessive zu marktreifen Anwendungen entwickeln und das Know-how hier verankern.«

Fraunhofer ILT initiiert strategische Initiativen

Mit seiner Expertise in der Lasertechnik und weiteren optischen Technologien bringt sich das Fraunhofer ILT thematisch breit aufgestellt ein, um gemeinsam mit deutschen und internationalen Partnern eine umfassende wissenschaftliche Zusammenarbeit voranzutreiben, herausragende FuE-Ergebnisse zu erzielen und neue Anwendungsbereiche für Quantentechnologien zu erschließen. »Bei der Umsetzung und Nutzung der Quantentechnologien wollen wir international eine führende Rolle spielen«, so Prof. Constantin Häfner. Neben der Forschung stehen hierbei die Aus- und Fortbildung sowie der Transfer qualifizierter Quantentechnologieexperten in die Industrie im Fokus der Bemühungen. Hier spielt die Nähe zur RWTH Aachen University sowie dem Forschungszentrum Jülich eine entscheidende Rolle. Mit seinen Partnern initiiert das Fraunhofer ILT gezielt strategische Allianzen und Forschungscluster in und außerhalb der Fraunhofer-Gesellschaft, um den Weg für ein wachstumsstarkes Innovationsökosystem für Quantentechnologien in NRW zu öffnen. Dies schließt neben der Verankerung vor Ort von internationalen Key-playern in Sachen Quantentechnologien auch die Gründung von Unternehmen als Spin-offs der großen Forschungsakteure ein. 

Diese Aktivitäten leisten einen signifikanten Beitrag zum landesweiten Kompetenznetzwerk EIN Quantum NRW, für das am 7. März 2022 der Startschuss fiel. Darin bündeln führende Universitäten und Forschungseinrichtungen des Landes ihre exzellente Expertise zur Erforschung und Umsetzung von Quantentechnologien, um Akteure aus Wirtschaft und Wissenschaft bei der effektiven Vernetzung zu unterstützen und Infrastrukturen für den Wissens- und Technologietransfer zu schaffen.

Center of Quantum Science and Engineering CQSE: Innovationsökosystem für Quantentechnologien im Rheinischen Revier

Gemeinsam mit Spitzenforschern und Unternehmen entwickeln die Fraunhofer-Institute in NRW (ILT, FHR, IAIS, IMS, SCAI) Lösungen für die Umsetzung und Anwendung der Quantentechnologien von Kommunikation über Computing bis hin zu Imaging und Sensorik. Das Augenmerk liegt darauf, früh den Brückenschlag zwischen exzellenter Grundlagenforschung und Unternehmen herzustellen und so ein wachstumsstarkes Innovationsökosystem für Quantentechnologien zu entwickeln. Entsprechend ist Fraunhofer gemeinsam mit dem Forschungszentrum Jülich die treibende Kraft bei der Umsetzung eines Center of Quantum Science and Engineering (CQSE) im Rheinischen Revier. Fraunhofer ist auf anwendungsorientierte Forschung im direkten Kontakt mit industriellen Kunden spezialisiert und für seinen Gründer-Spirit berühmt. So hat allein das Fraunhofer ILT in Aachen in 30 Jahren mehr als 40 KMU ausgegründet. In die Entwicklung der Quantentechnologie bringen die Fraunhofer-Institute ein breites Portfolio von Spitzentechnologien ein, das von der Lasertechnik über Halbleiter-, Mikrowellen- und Kryotechnologie bis hin zum Hochleistungscomputing reicht und die industrielle Umsetzung und Anwendung häufig überhaupt erst ermöglicht. Gerade in NRW profitieren Anwender aus den Bereichen Chemie, Medizin, Pharmaindustrie, Logistik und Produktion von den neuen Möglichkeiten großer Rechenzentren zur Modellierung und Simulation. Hier ist die Nähe zu Know-how-Zentren mit unterstützender Expertise in Sachen Quantencomputing von relevanter Bedeutung im internationalen Wettbewerb. 

Im Vorfeld dieser Kooperation haben QuTech und das Fraunhofer ILT einen entscheidenden Erfolg für die Realisierung von Quantennetzwerken erzielt – einen Quantenfrequenzkonverter mit einem Weltrekord an Rauscharmut und perspektivisch auch hinsichtlich Signal-zu-Rausch-Verhältnissen. Dies ermöglicht eine effiziente Übertragung von verschränkten Einzelphotonen durch bereits installierte Glasfaserleitungen der Telekommunikationsdienstleister. Bei dem Konverter handelt es sich um eine Schlüsselkomponente für die Demonstration des ersten vollständig verschränkungsbasierten Quanteninternets am QuTech, für das demnächst Qubits in Delft, Leiden, Den Haag und Amsterdam mit Glasfasern verbunden werden.