Quantentechnologien
Die Quantentechnologien werden unseren Alltag in den nächsten Jahrzehnten tiefgreifend beeinflussen. Unsere Universität bringt mit ihren herausragenden Forschungsleistungen die Entwicklung voran und fördert eine neue Generation von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern.
Quanten sind die kleinsten, diskreten Einheiten einer physikalischen Größe wie beispielsweise Energie. Ihre Eigenschaften sind komplex: Bereits Systeme aus wenigen Quanten können unvorstellbar große Informationsmengen enthalten. Darüber hinaus können Quantensysteme in Überlagerungszuständen existieren und unabhängig von ihrer Entfernung in einer festen Beziehung zueinander stehen, die mit den Gesetzen der klassischen Physik unvereinbar ist. Diese Fähigkeiten sind die Grundlagen für neue, bahnbrechende Technologien.
Die enormen Fortschritte bei der Präparation und Kontrolle von Quantensystemen machen es möglich, schnelle Quantencomputer mit extrem hoher Rechenleistung zu entwickeln oder empfindliche Messinstrumente wie Quantensensoren, die kleinste magnetische Felder oder Kräfte erfassen können. Unsere Universität leistet Spitzenforschung in diesen Bereichen, entwickelt die zugrundeliegenden Basistechnologien und bildet gleichzeitig hochqualifizierten Nachwuchs aus, der die Entwicklung auch künftig begleiten kann.
Glossar
Was sind eigentlich Quanten?
In der Quantenwelt und ihren zugrunde liegenden Theorien gibt es unterschiedlichste Begriffe und Bereiche. In unserem Glossar erklären wir einige wichtige von ihnen.
Forschung und Innovation
Unsere Forschenden schaffen durch das interdisziplinäre Zusammenwirken von Natur- und Ingenieurwissenschaften die Basis für neue Anwendungsfelder von Quantentechnologien. Sie arbeiten in zahlreichen Forschungverbünden und -einrichtungen mit anderen Forschenden zusammen und stärken so das Münchner Ökosystem in diesen Feldern. Gemeinsam und mit finanzieller Unterstützung des Innovationsprogramms Hightech Agenda Bayern können in diesen Schlüsseltechnologien neue Forschungsansätze umgesetzt werden.
Forschungsschwerpunkte
Quantencomputer basieren auf den Prinzipien der Quantenmechanik und nutzen Qubits anstelle von Bits. Dadurch haben sie das Potenzial, komplexe Probleme deutlich schneller zu lösen als herkömmliche Computer. An der TUM ist Quantencomputing ein zentraler Forschungsschwerpunkt, der von der Grundlagenforschung bis hin zur Entwicklung von Quantenhardware und -software reicht.
Wir erforschen neue Algorithmen, Methoden und Technologien, außerdem setzen wir zukunftsweisende Projekte in Anwendungsgebieten wie Verschlüsselungsverfahren (Kryptographie), Quantensimulation und maschinelles Lernen um – sowohl in Kooperation mit anderen Forschungseinrichtungen, Universitäten und Unternehmen als auch durch interne Forschungsinitiativen.
Wir entwickeln und erproben Quantenkommunikationsnetzwerke, die es ermöglichen, Quanteninformationen zwischen entfernten Standorten sicher zu übertragen. Solche Netzwerke könnten in Zukunft für abhörsichere Kommunikation und Quantentechnologien wie Quanteninternet und Quantum Cloud Computing verwendet werden. Darunter fällt auch die Forschung an Satelliten für die Quantenkommunikation.
In diesem Bereich werden an unserer Universität Messinstrumente entwickelt, die Quanteneigenschaften, quantenmechanische Zustände oder Quantensysteme nutzen. Sie sind sehr empfindlich, weil Quantenzustände leicht auf Störungen von außen reagieren und sie bieten eine gute räumliche Auflösung, weil sie typischerweise sehr klein sind. Sie können auf Licht, mechanischen Schwingungsquanten oder magnetischen Quanten – sogenannten Spins – beruhen. Ihre Einsatzfelder liegen in den Materialwissenschaften, der medizinischen Diagnostik, der Teilchenphysik oder der Untersuchung des Untergrunds bei Bauvorhaben.
Quantenmaterialien besitzen völlig neuartige Eigenschaften, die durch Quantenfluktuationen, Quantenverschränkung, Quantenkohärenz und die Topologie der quantenmechanischen Wellenfunktionen zustande kommen. Wichtige Beispiele sind topologische Materialien, Supraleiter und Quanten-Spin-Flüssigkeiten.
Wir erforschen, ob topologische Materialien die Grundlage für eine neue Generation energieeffizienter Elektronik sein könnten und ob supraleitende Materialien für die Energieerzeugung, -speicherung und -übertragung geeignet sind. In Quanten-Spin-Flüssigkeiten verschränken sich die Spins der Elektronen, sodass sie keinen statisch geordneten Zustand bilden können. Wir untersuchen, inwiefern energetische Defekte in solchen quantenfluktuierenden Materialien die Grundlage für revolutionäre Formen der Informationsspeicherung und -verarbeitung sein könnten.
Unsere Forschung trägt dazu bei, etablierte Theorien im Bereich der Quantenwissenschaften zu erweitern und zu hinterfragen. Ein Forschungsschwerpunkt besteht darin, theoretisch zu verstehen, welche relevanten Aufgaben von einem Quantencomputer effizient gelöst werden können. Als konkrete Demonstration hat ein Forschungsteam der TUM zusammen mit Google Quantum AI neue Methoden entwickelt, um die Eigenschaften exotischer Phasen der Materie auf Quantencomputern zu simulieren.
Unsere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erforschen auch mögliche soziale, ethische, gesellschaftliche und politische Herausforderungen, die mit den Fortschritten in der Quantentechnologie einhergehen können. Die Offenlegung von Handels- oder Staatsgeheimnissen, die Umrüstung von Unternehmen oder eine beschleunigte KI-Entwicklung durch schnellere Rechenleistung zählen hierzu. Ziel ist es, Chancen und Risiken zu erfassen und mit Hilfe von etablierten Methoden auftretende Probleme zu lösen und die Entwicklungen zu begleiten. Auch der wissenschaftliche Nachwuchs wird für einen verantwortungsvollen Umgang mit Quantentechnologien geschult.