Die nächste Phase im Quantencomputing einleiten
Eine Würzburger Nachwuchsgruppe entwickelt eine Schlüsseltechnologie für skalierbare Quantensysteme. Vom Bundesforschungsministerium gibt es dafür mehr als 6,6 Millionen Euro.
An der Julius‑Maximilians‑Universität Würzburg (JMU) entsteht derzeit eine Technologie, die für die Zukunft der Quantentechnologien entscheidend sein könnte: ein neuartiger Phasenmodulator, der Lichtsignale extrem schnell und nahezu verlustfrei steuert. Für die Entwicklung dieses Bauteils erhält die Nachwuchsgruppe Ferro35 von Dr. Andreas Pfenning, Lehrstuhl für Technische Physik, mehr als 6,6 Millionen Euro vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR).
Quantencomputer, Quantensensoren und abhörsichere Kommunikation gelten als Schlüsseltechnologien der kommenden Jahrzehnte. Doch trotz großer Fortschritte fehlt bislang ein Bauelement, das für skalierbare photonische Quantensysteme unverzichtbar ist: ein Modulator, der Quantenzustände präzise beeinflusst, ohne das empfindliche Lichtsignal zu stören. Genau hier setzt die Nachwuchsgruppe an.
Ein Bauteil, das den Unterschied ausmacht
Phasenmodulatoren sind in klassischen optischen Netzen längst etabliert. Für Quantentechnologien reichen die bisherigen Lösungen jedoch nicht aus. „Wir brauchen Bauelemente, die hohe Geschwindigkeiten ermöglichen und gleichzeitig extrem geringe optische Verluste aufweisen“, sagt Pfenning, „diese Kombination gibt es bisher nicht — und sie ist entscheidend für komplexe Quantenschaltkreise.“
Die Nachwuchsgruppe verfolgt deshalb einen neuen Ansatz: Sie integriert Bariumtitanat (BTO) in III‑V‑Photonik-Plattformen, die bereits für effiziente Quantenlichtquellen genutzt werden. Die Verbindung beider Materialsysteme gilt als technologisch anspruchsvoll, eröffnet aber völlig neue Möglichkeiten für die Steuerung von Licht auf dem Chip.
Kristalle aus eigener Herstellung
Damit dieser Ansatz funktioniert, stellt das Team die benötigten Kristalle selbst her: Schicht für Schicht, im Reinraum und unter Hochvakuum. Die Methode heißt Molekularstrahlepitaxie (MBE) und gehört zu den präzisesten Verfahren der Materialforschung. Mehrere MBE‑Anlagen stehen der Gruppe bereits im Gottfried‑Landwehr‑Labor für Nanotechnologie zur Verfügung, eine weitere wird speziell für Ferro35 eingerichtet. „Für ferroelektrische Materialien brauchen wir eine besonders saubere Prozessumgebung“, erklärt Pfenning, „schon kleinste Verunreinigungen können die Eigenschaften der Kristalle verändern.“
Wie bei Lego: vom Bauteil zum Quantenschaltkreis
Neben dem Modulator entwickelt die Gruppe weitere Komponenten, die für photonische Quantenschaltkreise notwendig sind, wie etwa Wellenleiter, Koppler und integrierte Quantenlichtquellen. Diese Bauteile werden zunächst simuliert und anschließend im Reinraum gefertigt.
„Wir bauen eine Komponentenbibliothek, mit der wir Schaltkreise entwerfen, zusammensetzen und direkt herstellen können“, sagt Pfenning, „das erinnert in gewisser Weise an das Zusammenstecken von Lego: Wenn das passende Element an der richtigen Stelle sitzt, entsteht Schritt für Schritt ein funktionsfähiger Schaltkreis. Die so entwickelten Designs können unmittelbar fabriziert und experimentell getestet werden.“
Das erleichtere nicht nur die Entwicklung, sondern eröffne auch neue Möglichkeiten in der Lehre. Studierende sollen künftig mit den Modellen experimentieren können — ein spielerischer Zugang zu einem hochkomplexen Forschungsfeld.
Bis vollständig skalierbare Quantencomputer Realität werden, wird es noch dauern. Doch die im Projekt entwickelten Bauelemente könnten schon früher fruchtbaren Boden schaffen. „Schnelle und verlustarme Modulatoren sind auch für die Telekommunikation interessant“, so Pfenning. „Unsere Technologie kann hier wichtige Impulse setzen.“
Das Förderprogramm „Quantum Futur“
Ferro35 wird im Rahmen des Programms „Quantum Futur 3“ gefördert. Die Initiative des BMFTR unterstützt Nachwuchswissenschaftlerinnen und ‑wissenschaftler beim Aufbau eigenständiger Forschungsgruppen, die neue technologische Grundlagen für die zweite Generation der Quantentechnologien schaffen. Für Dr. Andreas Pfenning bedeutet die Förderung die Möglichkeit, eine klar definierte Forschungsrichtung an der JMU zu etablieren: die ferroelektrische Quantenphotonik.
Mit Ferro35 entsteht eine Technologieplattform, die langfristig zur Stärkung der technologischen Souveränität Deutschlands und Europas beitragen soll. Die Förderung umfasst den Aufbau eigener Infrastruktur, die Ausbildung wissenschaftlichen Personals und die Entwicklung zentraler Bauelemente für photonische Quantensysteme
Zur Person
Dr. Andreas Pfenning leitet seit 2026 die Nachwuchsgruppe Ferro35 am Lehrstuhl für Technische Physik der JMU. Seit Ende 2022 führt er dort die Arbeitsgruppe Semiconductor Quantum Photonics und verfolgt seine Habilitation in Experimentalphysik.
Nach seiner Promotion forschte er als Postdoktorand am Quantum Matter Institute der University of British Columbia in Vancouver, wo er an siliziumbasierter photonischer Quanten-Informationsverarbeitung arbeitete. Seine jetzige Forschung verbindet integrierte Quanten-Photonik, neuartige ferroelektrische Materialien und die Entwicklung skalierbarer Quantentechnologien.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Dr. Andreas Pfenning, Lehrstuhl für Technische Physik, T. +49 931 31-89851, andreas.pfenning@uni-wuerzburg.de
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