Max-Planck-Institut für Quantenoptik

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

Mithilfe einer einzigen Infrarotlichtmessung und maschinellem Lernen lassen sich unter anderem Stoffwechselstörungen und Bluthochdruck erkennen

Rund die Hälfte der Max-Planck-Anträge auf einen ERC Advanced Grant war erfolgreich

Ferenc Krausz hat am 10. Dezember 2023 den Physik-Nobelpreis in Stockholm erhalten

Der Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik wird für seine Beiträge zur Attosekundenphysik ausgezeichnet

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.

Gravitationswellen gehören zu den spektakulären Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie von 1915. Aber erst ein halbes Jahrhundert später versuchte der Physiker Joseph Weber sie aufzuspüren. Anfang der 1970er-Jahre stiegen auch Max-Planck-Wissenschaftler in dieses Forschungsfeld ein und entwickelten Detektoren der zweiten Generation. Dank der Vorarbeiten dieser Pioniere blieben die Wellen in der Raumzeit keine Hirngespinste: Im September 2015 gingen sie endlich in die Falle.

Die moderne Quantenphysik wartet mit einigen Verheißungen auf: Quantencomputer und -simulatoren sollen blitzschnell riesige Datenmengen durch forsten, die Entwicklung neuer Medikamente beschleunigen oder die Suche nach Materialien etwa für die Energietechnik erleichtern. Ignacio Cirac, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching, trägt mit seiner Forschung dazu bei, diese Versprechen einzulösen.

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.