Österreichs Quantenforschung ist international erfolgreich – das liegt nicht zuletzt an der engen Zusammenarbeit der österreichischen Universitäten in diesem Bereich. Diese Zusammenarbeit wird nun weiter vertieft: Die österreichische Forschungsförderungsgesellschaft FFG finanziert nun neuartige Forschungsinfrastruktur, die neue Maßstäbe setzen soll. An der TU Wien soll das „Austrian Quantum Transmission Electron Microscope“ aufgebaut werden, ein ganz spezielles Elektronenmikroskop, optimiert für die Quantenforschung. Außerdem wird ein Quanten-Simulator-Projekt finanziert. Die neuen Forschungsanlagen sollen auch von anderen Universitäten genutzt werden können, in diesem Sinn ist das neue Gerät ein wichtiger Impuls für die gesamte österreichische Quanten-Forschung.

Die Geheimnisse der Quantenverschränkung

Elektronenmikroskope sind heute schon fast etwas Alltägliches – doch so etwas wie das "Austrian Quantum Transmission Electron Microscope" gibt es sonst nirgendwo auf der Welt. „Das neue Gerät soll Bilder liefern, für die wir mit Standardgeräten noch völlig blind sind“, sagt Prof. Philipp Haslinger vom Atominstitut der TU Wien, der das Projekt leitet. „Das Elektron kann man sich nicht einfach als kleines Teilchen vorstellen, nach den Regeln der Quantenphysik interagiert es als Welle mit dem zu untersuchenden Objekt, das bei uns ebenfalls quantenphysikalisch beschrieben und kohärent manipuliert werden muss.“ 

Mit speziellen technischen Tricks kann man mit einer Präzision im Femtosekundenbereich steuern, zu welchem Zeitpunkt die einzelnen Elektronen im Mikroskop auf ihre Reise geschickt werden. Mit diesen präzise getakteten Elektronen lässt sich dann der zeitliche Ablauf von Quantenphänomenen genau studieren.

Auf diese Weise möchte man dem Phänomen der Quantenverschränkung nachgehen, für das 2022 auch der Physik-Nobelpreis vergeben wurde. „Wir machen das allerdings auf völlig neue Weise: Wir versuchen die Verschränkung von Elektronen und Photonen nachzuweisen“, erklärt Philipp Haslinger. Um Verschränkung zu studieren, wurde bisher oft mit verschränkten Photonenpaaren gearbeitet. Aber Elektronen mit Photonen zu verschränken ist schwierig – und bietet völlig neue Möglichkeiten für die quantenphysikalische Grundlagenforschung.

Quantensimulatoren

Eine interessante neue Art, den Geheimnissen der Quantenphysik auf die Spur zu kommen, sind Quantensimulatoren. Dabei handelt es sich um Quantensysteme, die man nach Belieben kontrollieren (man könnte auch sagen: „programmieren“) kann. Auf diese Weise kann man zum Beispiel ein gut kontrollierbares Quantensystem verwenden, um damit etwas über ein anderes Quantensystem zu lernen, das nicht so leicht zu untersuchen ist. Man simuliert gewissermaßen ein Quantensystem mit Hilfe eines anderen.

Dafür kann man unterschiedliche Quantensysteme verwenden – etwa ultrakalte Atome, Moleküle oder Teilchen, die in elektromagnetischen Fallen festgehalten und manipuliert werden. Damit soll die Grundlagenforschung vorangetrieben werden, um neue Quantentechnologien zu ermöglichen. An diesem Projekt, das von Prof. Jörg Schmiedmayer (Atominstitut, TU Wien) koordiniert wird, ist auch die Universität Innsbruck beteiligt.

Hochdotierte Förderung

Beide Förderungen sind Teil der „FFG Quantum Austria Infrastruktur“-Ausschreibung. Die FFG finanziert das speziell optimierte ultra-schnelle Elektronenmikroskop an der TU Wien mit insgesamt 4,7 Millionen Euro. Da solche Elektronenmikroskope noch nicht kommerziell erhältlich sind, wird das Setup in Kollaboration mit den Max-Planck Institute for Multidisciplinary Science in Göttingen entwickelt. Das neue Gerät wird zur Universitären Serviceeinrichtung für Transmissions-Elektronenmikroskopie (USTEM) der TU Wien gehören, die 2023 neue Räume am Atominstitut im Wiener Prater beziehen wird. Dort wird das "Austrian Quantum Transmission Electron Microscope" in einem speziell optimierten Labor aufgebaut. Die Quantensimulatoren werden mit rund 3 Millionen Euro gefördert, davon gehen rund 1,9 Millionen Euro an die TU Wien.