Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Infrarot-Spektren von Blutproben, die mit maschinellem Lernen interpretiert werden, ermöglichen die Früherkennung von Diabetes, Bluthochdruck und verschiedenen Krebserkrankungen

Patrick Cramer spricht mit Bram Wijlands, Geschäftsführer der Max-Planck-Innovation, über gründungswillige Forschende und ihre spannenden Start-ups

Bislang unterschied die Physik Teilchen zwischen Fermionen und Bosonen, jetzt gibt es Hinweise auf eine dritte Art

2022 ist das Garchinger Start-up planqc, eine Ausgründung des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik, in das Rennen um Quantencomputer eingestiegen – mit einem eigenen technischen Konzept. 2027 sollen die ersten Quantenrechner des Unternehmens betriebsbereit sein

Ab dem 7. Oktober 2024 darf wieder mitgefiebert werden: Am Montag startet in Stockholm die Bekanntgabe der diesjährigen Nobelpreise mit dem für Physiologie oder Medizin

Die Biomoleküle in unserem Blut enthalten wichtige Informationen über unseren Gesundheitszustand. Forschende des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching bei München setzen auf maschinelles Lernen, um die Analyse von Blutproben zu erleichtern. So wollen sie einfache und kostengünstige Gesundheitschecks zur Früherkennung von Krankheiten ermöglichen.

Sie sollen manche Rechnungen etwa beim Design von Windrädern und Flugzeugturbinen, in der Materialentwicklung oder der Klimaforschung einmal viel schneller ausführen als heutige Computer. Daher setzen unter anderem Microsoft, Google und IBM auf Quantencomputer. 2022 ist auch das Garchinger Start-up planqc, eine Ausgründung des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik, in das Rennen eingestiegen – mit einem eigenen technischen Konzept. 2027 sollen die ersten Quantenrechner des Unternehmens betriebsbereit sein.

Je kleiner das Forschungsobjekt, desto aufwendiger die Apparatur: Ein solches Gewirr aus bunten Glasfaser- und schwarzen Stromkabeln, aus Lasern, zahlreichen Spiegeln und anderen optischen Instrumenten ist nötig, um einzelne Atome zu handhaben.

Sie sollen Probleme lösen, an denen heute sogar die besten Computer scheitern. Mit dieser Erwartung investieren Regierungen, aber auch private Geldgeber massiv in die Entwicklung von Quantencomputern. Was die Rechner in den kommenden Jahren tatsächlich leisten können, erforscht das Team von Ignacio Cirac, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. Demnach werden sich wohl nicht alle Hoffnungen so bald erfüllen.

Die Attacken von Hackern dürften durch neue Techniken immer grössere Schäden anrichten. Doch zumindest die Übertragung von Daten könnte sicherer werden - durch Quantenkommunikation. Daher arbeiten Forschende weltweit an den physikalischen Grundlagen und technischen Modulen. Das Team von Gerhard Rempe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching will noch mehr: Quantencomputer vernetzen.

Es ist nicht mehr als eine winzige Asymmetrie zwischen der Materie und ihrem Spiegelbild, der Antimaterie, die zu einem Materieüberschuss im Universum führte. Ihr verdanken wir unsere Existenz.

Durch die Messung der Frequenzen von Lichtwellen lassen sich viel mehr „Farben“ erkennen, als wir mit unseren Augen wahrnehmen. So können Forscherinnen und Forscher Atome und Moleküle sehr genau anhand ihrer spektralen Fingerabdrücke unterscheiden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben nun Spektren mit Tausenden von „Farben“ im anspruchsvollen ultravioletten Spektralbereich aufgenommen. Der Schlüssel zu diesem Erfolg ist ein neuartiges Spektrometerkonzept: Es verbindet zwei sogenannte Frequenzkämme und einen Photonenzähler.

Die Verwirklichung globaler Quantennetzwerke ist ein zentrales Forschungsthema für künftige Quantentechnologien. WissenschaftlerInnen am Max-Planck-Institut für Quantenoptik haben dafür eine neue und vielversprechende Hardware-Plattform entwickelt: Bis zu hundert einzelne Erbium-Atome werden dabei in einem optischen Resonator mit Laserlicht kontrolliert. Dies ermöglicht es, sie als stationäre Quantenbits zu verwenden und durch den Austausch von Photonen zu vernetzen – ein erster wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem Quanteninternet, das Quantencomputer und -sensoren weltweit miteinander verbindet. 

Quantencomputer wecken Hoffnung auf die Entdeckung neuer Materialien oder die Simulation komplexer Naturprozesse. Erste Prototypen existieren, doch die Technologie steckt noch in den Kinderschuhen. Quantenalgorithmen, die dynamische Vielteilchensysteme effizienter berechnen können als klassische Algorithmen, sind bereits seit längerem bekannt – keine jedoch für statische Systeme. Nun aber hat unsere Gruppe Algorithmen entwickelt, die dies besser können als jeder Supercomputer. Bei der Anwendung ihrer beiden Algorithmen arbeiten klassische Computer und Quantencomputer Hand in Hand.

Mehr als 30 Jahre nach der Entdeckung von Hochtemperatur-Supraleitern sind deren grundlegende Mechanismen immer noch nicht vollständig verstanden. Mehr Wissen wäre jedoch wichtig, um supraleitende Materialien bei Raumtemperatur zu finden, die Strom verlustfrei transportieren können. Unsere Gruppe versucht,  dieses Rätsel mit Hilfe eines speziellen Quantensimulators zu lösen. Kürzlich kam es zu einem Durchbruch: die allerersten hochaufgelösten Fotos von einzelnen magnetischen Polaronen. Sie stehen im Verdacht, maßgeblich an der Supraleitung beteiligt zu sein.

Licht-Materie-Wechselwirkungen bestimmen in unserem Alltag fundamentale Vorgänge: von der Lichtstreuung an Molekülen und Partikeln in der Atmosphäre, die dem Himmel seine Farbe verleiht, bis hin zu lebenswichtigen biologischen Prozessen wie der Photosynthese. Sie alle basieren auf ultraschnellen Ladungsbewegungen im Femto- bis Attosekundenbereich, das sind Millionstel bis Milliardstel einer Milliardstel Sekunde. Um diese Prozesse zu studieren, schaffen wir Lichtpulse, die ebenso kurz sind. Jetzt haben wir sie benutzt, um an Nanoteilchen Reaktionen auszulösen und diese zu erforschen.