EXC 2004:  Materie und Licht für Quanteninformation (ML4Q)

• Fachliche Zuordnung: Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2019
• Webseite: Zur Homepage
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 390534769

Nach Jahrzehnten rasanter Entwicklung werden fundamentale Grenzen in der Miniaturisierung von Computer-Hardware erkennbar. Der ungebremst steigende Bedarf an leistungsfähiger Technologie erfordert neue Lösungsansätze. Auf den Gesetzen der Quantenphysik basierende Technologien werden absehbar eine Schlüsselrolle in diesem Prozess spielen. Rechenleistungen weit jenseits klassischer Computer würden Quantencomputer zu mächtigen Werkzeugen beim Design neuer Materialien und Chemikalien oder der Gewährleistung sicherer Kommunikation machen. Das massive Engagement von Unternehmen wie Microsoft, IBM, Intel und Google sowie Investitionen seitens Chinas, Kanadas und der EU zeigen das Potential dieser Entwicklungen. Technologien zur Herstellung fragiler Quanten-Bits ("Qubits") sind vorhanden und Konzepte zum Schutz von Quanteninformation vor äußeren Einflüssen stehen vor der Realisierung. Dies ist Entwicklungen in den Gebieten Quanten-Materialforschung, -optik und -information zu verdanken.Wir sind überzeugt, dass der Schlüssel zu weiterem Fortschritt in der Verknüpfung dreier Konzepte liegt: topologisch geschützte Qubits, Quantenkommunikation und Fehlerkorrekturverfahren. Auf diese Weise werden die Grundlagen für eine umfassende Quantentechnologie mit Rechen- und Netzwerkfunktionalität geschaffen. Ausgehend von diesem Paradigma wollen wir eine enge Kollaboration von SpitzenwissenschaftlerInnen der Universitäten Köln, Bonn und Aachen sowie des Forschungszentrums Jülich schaffen. Dies wird ein international hochsichtbares Konsortium für Quanteninformationstechnologie in Deutschland hervorbringen. Mit seiner Kombination aus topologischer Materie, Licht und Quanteninformation ist es derzeit einzigartig und stringent definiert.Unser langfristiges Ziel sind Architekturen, in denen fehlertolerante Quantencomputer modular realisiert und optisch miteinander vernetzt sind. In den Anfangsjahren wird der Fokus auf der Erarbeitung wissenschaftlicher Grundlagen in vier Schwerpunktbereichen (focus areas) liegen. Arbeitsziel von Schwerpunkt F1: Grundlagen und Technologie für topologische Grenzflächen ist die Realisierung von Majorana-Quasiteilchen – besonders geeignete Träger von Quanteninformation – in topologischen Phasen von Festkörpern und kalten Atomen. Schwerpunkt F2: Majorana-Qubits befasst sich mit der Realisierung von Qubits aufbauend auf diesen Zuständen. Schwerpunkt F3: Dekohärenz, Messprozesse und Fehlerkorrektur wird Konzepte zum Schutz von Quanteninformation entwickeln. Schwerpunkt F4: Quantenvernetzung wird verschiedenartige Qubits verbinden sowie die Theorie von Quantennetzwerken entwickeln.Diese Ziele können nur in enger Zusammenarbeit und durch den Aufbau einer gemeinsamen Infrastruktur erreicht werden. Neu eingerichtete Professuren werden bestehende Kompetenzen ergänzen. Eine gemeinsame Graduiertenschule wird junge ForscherInnen in diesem zukunftsträchtigen Feld ausbilden.

• DFG-Verfahren: Exzellenzcluster (ExStra)
• Antragstellende Institution: Universität zu Köln
• Mitantragstellende Institution: Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen; Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
• Beteiligte Institution: Forschungszentrum Jülich
• Beteiligte Hochschule: Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
• Sprecher: Professor Dr. Yoichi Ando
• beteiligte Wissenschaftlerinnen / beteiligte Wissenschaftler: Professor Dr. Alexander Altland; Professor Dr. Hendrik Bluhm; Professor Dr. Stefan Blügel; Professorin Dr. Dagmar Bruß; Professor Dr. Tommaso Calarco; Professor Dr. David DiVincenzo; Professor Dr. Sebastian Diehl; Professor Dr. Reinhold Egger; Professor Dr. David Gross, Ph.D.; Professor Dr. Alexander Grüneis; Professor Dr. Detlev Grützmacher; Professor Dr. Fabian Hassler; Professorin Dr. Beata Kardynal; Dr. Michael Kastoryano; Professor Dr. Joachim Knoch; Professorin Dr. Corinna Kollath; Professor Dr. Michael Köhl; Professor Dr. Stefan Linden; Professorin Grace Lu, Ph.D.; Professor Dr. Dieter Meschede; Professor Dr. Markus Morgenstern; Professor Dr. Achim Rosch; Professor Dr. Simon Stellmer; Professor Dr. Martin Weitz