Quantencomputer, Atomuhren und Gravitationswellen: Ein Einblick in den Exzellenzcluster QuantumFrontiers
Der Exzellenzcluster QuantumFrontiers hat erfolgreich die Bewilligung für seine zweite Förderphase erhalten und wird ab Januar 2026 für weitere sieben Jahre mit einer Millionenförderung unterstützt. Diese Entscheidung ist Teil des herausragenden Erfolgs der Leibniz Universität Hannover, die mit drei bewilligten Exzellenzclustern nun die Voraussetzungen erfüllt, um sich als Exzellenzuniversität zu bewerben.
Ein kurzer Überblick zu QuantumFrontiers
QuantumFrontiers hat sich zum Ziel gesetzt, die Grenzen des Messbaren zu verschieben und Quanteneffekte für Präzisionsmessungen von bisher unerreichter Genauigkeit zu nutzen. Der Cluster vereint Forschende aus Physik, Ingenieurwissenschaften, Informatik sowie Sozial- und Bildungswissenschaften und entwickelt bahnbrechende Technologien wie Atominterferometer, optische Uhren und Gravitationswellendetektoren der nächsten Generation. Diese Systeme ermöglichen nicht nur die Suche nach unbekannten Kräften und dunkler Materie, sondern auch präzise Erdbeobachtung für klima- und umweltrelevante Prozesse.
Das Konsortium umfasst sechs renommierte Partnerinstitutionen: die Leibniz Universität Hannover als Sprecherin, die TU Braunschweig, die Physikalisch-Technische Bundesanstalt, das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, das Laser Zentrum Hannover und das Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation. Gemeinsam repräsentieren sie eine weltweit einmalige Kombination aus Expertise und Infrastruktur. Unter dem Motto „Sharing Science“ engagiert sich QuantumFrontiers aktiv im Wissens- und Technologietransfer und ist maßgeblich am Quantum Valley Lower Saxony beteiligt, wo Forschungsstärke mit industriellen Anforderungen verknüpft wird.
Im Interview: Prof. Dr. Silke Ospelkaus, Sprecherin von QuantumFrontiers
Prof. Dr. Silke Ospelkaus, Sprecherin des Excellenzclusters QuantumFrontiers, im Lichthof des Welfenschlosses
(Foto: Sören Pinsdorf/LUH)
Von Atomuhren bis Gravitationswellen: Erfolge der ersten Förderphase
QuantumFrontiers strebt Messungen an der Quantengrenze mit bislang unerreichter Präzision an. Was bedeutet das konkret – und welche wissenschaftlichen Durchbrüche konnten in der ersten Förderphase bereits erzielt werden?
Silke Ospelkaus: Unser zentrales Thema ist die Quantenmetrologie: Wir erforschen die Grenzen des Messens und zwar von den ganz kleinen Maßstäben, wie etwa einzelnen Ionen oder Atomen, bis hin zu den ganz großen Maßstäben, beispielsweise Gravitationswellen. Und im Kleinen wie im Großen wollen wir diese Grenzen verschieben, um unser Verständnis der Welt zu erweitern. Denn genaue Messungen sind entscheidend für jeden Fortschritt in Physik und Technologie.
In der ersten Förderperiode haben wir eine weltweit führende Position bei der Entwicklung und Erforschung von Atomuhren eingenommen. Wir haben die besten Uhrenlaser der Welt, die genauesten Atomuhren Europas und mit der ersten Realisierung einer neuartigen Atomkernuhr haben wir einen großen Schritt hin zur nächsten Generation von Atomuhren gemacht. Daran haben Forschende zwanzig Jahre gearbeitet.
Oder unser Beitrag zur Entdeckung der Gravitationswellen. Erst die Laserlichtquellen aus Hannover haben das internationale Netzwerk an Detektoren auf das Empfindlichkeitslevel gebracht, das nötig war, um Gravitationswellen schließlich nachweisen zu können.
In den letzten sieben Jahren haben wir QuantumFrontiers zu einem weltweit einzigartigen Zentrum der Quantenmetrologie aufgebaut. Und das ist erst der Anfang: In den kommenden sieben Jahren werden wir gemeinsam mit unseren Partnern die Grenzen des Messbaren weiter verschieben und Wissenschaft und Gesellschaft nachhaltig prägen.
Quantentechnologien für Grundlagenforschung und Alltagsanwendungen
Optische Uhren, Atominterferometer, Gravitationswellendetektoren: Das klingt nach High-End-Technologie der Zukunft. Welche dieser Systeme stehen aktuell besonders im Fokus – und was sind ihre potenziellen Anwendungen in Wissenschaft und Gesellschaft?
Silke Ospelkaus: Viele grundlegende Fragen der Physik sind bis heute unbeantwortet. Ein zentrales Beispiel ist das ungelöste Problem der Vereinheitlichung der Gravitation mit der Quantenfeldtheorie. Während die Allgemeine Relativitätstheorie die Gravitation beschreibt, basiert unser Verständnis der übrigen fundamentalen Wechselwirkungen auf dem Standardmodell der Teilchenphysik – eine konsistente Theorie, die beide Bereiche vereint, fehlt bislang. Ebenso wissen wir aus zahlreichen Beobachtungen, dass dunkle Materie und dunkle Energie existieren müssen, doch ihre genaue Natur bleibt unbekannt.
Hochpräzise Messinstrumente könnten helfen, diese offenen Fragen zu beantworten. Sie ermöglichen es, kleinste Abweichungen von bekannten physikalischen Gesetzen aufzuspüren und damit potenziell neue Erkenntnisse jenseits des Standardmodells zu gewinnen.
Unsere Forschung beschränkt sich jedoch nicht nur auf grundlegende Fragen der Physik. Sie bildet auch die Basis für praktische Anwendungen, wie zum Beispiel in der Navigation. So ist etwa die Positionsbestimmung in Navigationssystemen, wie sie in Smartphones oder Fahrzeugen eingesetzt wird, nur durch die hohe Genauigkeit von Atomuhren möglich. Diese liefern die präzisen Zeitangaben, die zur exakten Ortsbestimmung benötigt werden.
Darüber hinaus sind genauere Messmethoden entscheidend für die präzise Erdbeobachtung und die Entwicklung robuster, effizienter Quantensensoren. Diese Technologien können wertvolle Einblicke in umwelt- und klimarelevante Prozesse wie Veränderungen des Wasserkreislaufs bieten.
Neue Horizonte: Quantencomputer im Fokus der zweiten Förderphase
In der zweiten Förderphase wollen Sie „die Grenzen des Messbaren“ weiter verschieben. Welche konkreten Forschungsfragen oder Technologien sind dabei richtungsweisend?
Silke Ospelkaus: Wir werden auf unseren Erfolgen aufbauen und haben uns ambitionierte Ziele gesetzt. Im Bereich der Uhren wollen wir das nächste Präzisionslevel erreichen und Uhren mit einer Ungenauigkeit von 10-19, also 19 Stellen hinter dem Komma realisieren. Diese schaffen im Bereich der Fundamentalphysik oder der Geodäsie ganz neue Möglichkeiten – etwa um das Rätsel der dunklen Materie lösen zu können.
Wir machen aber nicht nur einfach weiter wie bisher, sondern haben unser Forschungsprogramm um neue Aspekte ergänzt. Das Thema Quantencomputer war bisher kein Schwerpunkt von QuantumFrontiers. Mit unseren Kompetenzen bei gefangenen Ionen, in der Kontrolle von Vielteilchensystemen und theoretischen Modellen fügt es sich aber extrem gut in unsere Aktivitäten ein. Hier werden wir in den kommenden Jahren einen neunen Fokus setzen und einen entscheidenden Beitrag zum fehlertoleranten Quantencomputing leisten, eine Technik die Materialwissenschaft, Kryptographie und Kommunikation revolutionieren kann.
Interdisziplinarität als Schlüssel: Quantenforschung für die Gesellschaft
QuantumFrontiers ist ein interdisziplinäres Großprojekt. Welche Rolle spielen dabei die Sozial- und Bildungswissenschaften, die auf den ersten Blick nicht direkt mit Quantenphysik assoziiert werden?
Silke Ospelkaus: Die Quantentechnologien haben das Potential für tiefgreifende Veränderungen. Wir müssen uns auch als Forschende mit den gesellschaftlichen Auswirkungen und kulturellen Kontexten befassen. Wir wollen die Gesellschaft „quantenfit“ machen. Das bedeutet, Verständnis und Begeisterung für Quantenphysik und -technologien müssen gefördert und talentierte junge Menschen für diese Bereiche gewonnen werden. Mit unserem neuen Schwerpunkt Sharing Science wollen wir – gemeinsam mit Forschenden aus den Sozialwissenschaften – sicherstellen, dass der Transfer von Forschungswissen in Wirtschaft, Politik und Gesellschaft positiv gelingt.
Seit Beginn engagiert sich QuantumFrontiers auch in der Nachwuchsförderung an Schulen. Wir haben dazu das Schüler*innenlabor foeXlab sowie unsere MasterClasses etabliert. Damit bieten wir Workshops für Schülerinnen und Schüler an, um ihnen grundlegende Konzepte der Quantenphysik nahezubringen. Wir entwickeln Lehrmaterialien, die komplexe Quantenkonzepte in verständliche Einheiten für den Schulunterricht umwandeln. Und wir bieten Lehrveranstaltungen für angehende Lehrkräfte an.
Starke Vernetzung: Das Erfolgsrezept der Kooperation
Der Cluster vereint einige der renommiertesten Institutionen aus Forschung und Technologie. Wie gelingt die standortübergreifende Zusammenarbeit – und was macht das Netzwerk besonders effektiv?
Silke Ospelkaus: QuantumFrontiers, das sind mehr als 400 Forschende, von sieben Einrichtungen in Hannover, Braunschweig und Bremen. Wir profitieren maßgeblich von der engen Vernetzung und Kollaboration zwischen den beteiligten Institutionen. Gemeinsame Forschungsziele ermöglichen eine klare Ausrichtung auf wissenschaftliche und technologische Herausforderungen. Wir haben dafür die flexible Struktur der Topical Groups geschaffen, die als kleine, effiziente Forschungsgruppen die Forschenden über Instituts– und Institutionsgrenzen hinweg vernetzen.
Unser Netzwerk zeichnet zudem eine starke interdisziplinäre Zusammenarbeit aus. Die Vielfalt der Expertise, die von Grundlagenforschung bis hin zu angewandter Wissenschaft reicht, von der Physik über die Geodäsie zu den Ingenieurswissenschaften, diese Vielfalt ermöglicht es uns, neue Lösungen für komplexe Probleme zu entwickeln. Und die offene und kooperative Kultur innerhalb des Clusters fördert den Austausch und inspiriert zu innovativen Ideen.
Ratschläge für den wissenschaftlichen Nachwuchs
Was würden Sie Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern raten, die sich für Forschung an der Schnittstelle von Quantenphysik, Technologie und Gesellschaft interessieren?
Silke Ospelkaus: Bringt Neugier und Offenheit mit. Die Quantenforschung ist ein dynamisches und sich schnell entwickelndes Feld, das viel Raum für Innovation bietet. Es gibt verschiedene Wege zum Ziel. Erfolg ist oft es eine Kombination aus fachlicher Expertise, praktischen Fähigkeiten und persönlichen Qualitäten.
Ein solides Verständnis der Quantenphysik ist essenziell, sowie spezialisierte Kenntnisse in einigen Bereichen. Aber auch Verständnis für verwandte Disziplinen: Kenntnisse in Bereichen wie Informatik, Ingenieurwissenschaften oder Materialwissenschaften können den eigenen Schwerpunkt ergänzen.
Dazu kommen persönliche Qualitäten wie Kreativität und Problemlösungsfähigkeit. Die Arbeit an der Schnittstelle von Disziplinen erfordert oft Zusammenarbeit. Daher sind Teamarbeit und die Fähigkeit zur interdisziplinären Kollaboration essenziell.
Schließlich braucht es Geduld und Durchhaltevermögen. Forschung kann herausfordernd sein, und Ergebnisse sind nicht immer sofort sichtbar. Aber es lohnt sich dranzubleiben. Die Erforschung von Quantenphänomenen und deren Anwendungsmöglichkeiten ist spannend und bietet die Möglichkeit, die Zukunft von Wissenschaft und Technologie zu prägen.
Wir danken Frau Prof. Dr. Ospelkaus sehr für den spannenden Einblick in den Exzellenzcluster QuantumFrontiers!
Neugierig geworden? Hier sind noch ein paar Literaturempfehlungen
Wollen Sie sich weiter in die Themengebiete vertiefen, die in QuantumFrontiers bearbeitet werden? Dann wollen wir ihnen natürlich passende Literatur aus dem Bestand der TIB an die Hand geben:
Einen Überblick zu den Exzellenzclustern der Leibniz Universität Hannover finden Sie im Beitrag von Esther Tobschall: Exzellente (Quanten)Forschung an der Leibniz Universität Hannover
#Exzellenzcluster #LUH #Quantenjahr2025 #QuantumFrontiers
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