Die Quantum Photonics (5.–6. Mai 2026) adressiert gezielt jene Anwendungsfelder der Quantenphotonik, die als Treiber zukünftiger Wertschöpfung gelten – von Computing & AI über Cyber Security bis hin zu Defence & Space sowie moderner Messtechnik. Ziel ist es, Forschung schneller in industrielle Anwendungen zu überführen und Innovationszyklen zu verkürzen. Formate wie die „Coffee Pitches“ fördern den direkten Austausch zwischen Forschungseinrichtungen, Start-ups und Industrieunternehmen. Ergänzt durch ein vereinfachtes One-Ticket-Konzept entsteht ein offenes Innovationsökosystem, das Wissenstransfer und Kooperation gezielt unterstützt.

Parallel dazu zeigt die rapid.tech 3D (5.–7. Mai 2026) die industrielle Umsetzungskraft additiver Fertigung. Der Fachkongress beleuchtet aktuelle Entwicklungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette. 2026 wird das Programm durch erstmals angebotene Short Courses erweitert, die gezielt praxisnahes Know-how vermitteln. Fachforen ermöglichen darüber hinaus den vertieften Austausch zu branchenspezifischen Anwendungen.

Ein weiterer Impuls für Innovation und Wettbewerbsfähigkeit ist der rapid.tech 3D Exzellenzpreis, der technologische Spitzenleistungen sichtbar macht und den Transfer in industrielle Anwendungen stärkt.

Besonders relevant ist das Zusammenspiel beider Veranstaltungen: Additive Fertigung gewinnt zunehmend an Bedeutung bei der Entwicklung optischer Komponenten für Quantentechnologien. Hier entstehen Schnittstellen, die neue industrielle Anwendungen ermöglichen und Innovationspotenziale heben.

Mit dieser engen Verzahnung schafft die Messe Erfurt eine Plattform, die technologische Entwicklungen nicht nur präsentiert, sondern aktiv in wirtschaftliche Wertschöpfung übersetzt – ein entscheidender Faktor im internationalen Wettbewerb um Zukunftstechnologien.

Das Jahr 2025 wurde von den Vereinten Nationen zum Jahr der Quantenwissenschaft und Quantentechnologien erklärt – ein deutliches Signal für die globale Bedeutung dieser Materie. „Das Quantenjahr 2025 ist ein wichtiges Zeichen, denn Quantentechnologien gelten als Schlüsseltechnologien der Zukunft“, betont Prof. Irene Bertschek, Leiterin des Forschungsbereichs „Digitale Ökonomie“ am Zentrum für Europäische Wirtschaftsforschung Mannheim und stellvertretende Vorsitzende der EFI.

Neben der immensen Steigerung der Rechenleistung durch Quantencomputer eröffnen sich Anwendungsfelder in der hochsicheren Kommunikation, der autonomen Navigation und der medizinischen Diagnostik.

Thüringen verfügt in verschiedenen Bereichen bereits über eine exzellente Forschungsbasis und innovative Unternehmen, die Anknüpfungspunkte für die Quantentechnologie bieten. Universitäten und Forschungseinrichtungen in Jena, Ilmenau und Erfurt leisten in der Grundlagenforschung wichtige Beiträge, während innovative Mittelständler in angrenzenden Technologiebereichen wie der Optik, Präzisionsmechanik und Softwareentwicklung wertvolles Know-how einbringen können.

„Viele Anwendungen der Quantentechnologien, wie universell einsetzbare Quantencomputer, sind aktuell noch weit von der Marktreife entfernt. Dies eröffnet Deutschland die Chance, die weiteren Entwicklungen mitzugestalten und Quantentechnologien maßgeblich voranzutreiben“, erklärt Prof. Bertschek. „Denn dank exzellenter Grundlagenforschung und einer starken Tradition in der Quantenphysik hat Deutschland hierfür eine hervorragende Ausgangsposition.“ Diese exzellente Ausgangslage gilt es nun auch in Thüringen zu nutzen, um Synergien zwischen Forschung und Wirtschaft zu schaffen und den Freistaat als attraktiven Standort für Unternehmen und Talente im Bereich der Quantentechnologie zu positionieren.

Europäische Zusammenarbeit als Schlüssel zum Erfolg

Im globalen Wettrennen um die Vorherrschaft in der Quantentechnologie spielen die USA und China derzeit eine dominierende Rolle. Insbesondere Chinas rasante Aufholjagd in den letzten zwei Jahrzehnten ist bemerkenswert. „Als einzelner Akteur hat es Deutschland im internationalen Wettbewerb beim Quantencomputing schwer“, mahnt Carolin Häussler, Professorin an der Universität Passau und Mitglied der EFI. „Eine enge Zusammenarbeit und Bündelung der Kräfte innerhalb der EU ist daher essenziell, um beispielsweise ein ‚Quantum Computing Made in Europe‘ perspektivisch zu ermöglichen. Hierzu gilt es, ein starkes europäisches Innovationsökosystem zu schaffen, in dem sich Forschungseinrichtungen, Unternehmen und Investoren grenzüberschreitend vernetzen und ihre Aktivitäten koordinieren.“

Für Thüringen bedeutet dies, aktiv die europäische Zusammenarbeit zu suchen und sich in entsprechende Netzwerke einzubringen. Regionale Stärken und Kompetenzen können so in größere europäische Projekte eingebracht werden, um gemeinsam innovative Lösungen zu entwickeln und im globalen Wettbewerb zu bestehen.

Forschungsergebnisse in die Anwendung bringen

Während die Grundlagenforschung in Deutschland exzellent ist, hapert es oft am Transfer von Forschungsergebnissen in marktfähige Produkte und Dienstleistungen. Dies zeigt sich auch im Bereich der Quantencomputer, wo von den weltweit knapp 1.800 Patentanmeldungen der letzten zwei Jahrzehnte nur gut 70 aus Deutschland stammen.

„Die exzellente Forschung in Deutschland allein reicht nicht, um langfristig eine Spitzenposition im globalen Wettbewerb zu sichern“, warnt Prof. Bertschek. „Deutschland hat zu oft schon bahnbrechende Ideen entwickelt, die später anderswo zur Marktreife gebracht wurden“, ergänzt Prof. Uwe Cantner, EFI-Vorsitzender und Professor der Universität Jena.

Um dies im Bereich der Quantentechnologien zu verhindern, muss der Fokus verstärkt auf den Transfer von Forschungsergebnissen in die Wirtschaft gelegt werden. Die EFI fordert konkrete Maßnahmen wie die Unterstützung von Gründern aus der Forschung, verbesserte Finanzierungsbedingungen für Start-ups und staatliche Ankerkundenverträge für zentrale Großprojekte. Für Thüringen bedeutet dies, ein innovationsfreundliches Klima zu schaffen, das die Gründung von Technologieunternehmen im Bereich der Quantentechnologie fördert und den Austausch zwischen Forschung und Wirtschaft intensiviert.

Verlässliche Politik als Fundament für den Erfolg

Die Quantenforschung ist komplex, kostspielig und erfordert einen langen Atem. Politische Unterstützung und Planungssicherheit sind daher unerlässlich, um zukunftsweisende Projekte erfolgreich voranzutreiben. „Die EFI empfiehlt der neuen Bundesregierung, mit einer nationalen Quantenstrategie einen kohärenten Rahmen für die Weiterentwicklung von Quantentechnologien zu schaffen“, so Prof. Häussler.

Eine solche Strategie sollte langfristig ausgerichtete und flexible Technologie-Roadmaps, den gezielten Ausbau regionaler Innovationscluster mit klaren Forschungsschwerpunkten, einen einfachen Zugang zu modernster Forschungsinfrastruktur sowie den Aufbau einer Quanten-Benchmarking-Plattform umfassen. Zudem ist die gezielte Förderung von Kompetenzen im Bereich der Quantentechnologien und die Verbesserung der Standortattraktivität für internationale Spitzenforscherinnen und -forscher entscheidend, um international wettbewerbsfähig zu bleiben.

Für Thüringen bedeutet dies, sich aktiv in die Entwicklung und Umsetzung einer nationalen Quantenstrategie einzubringen und die eigenen regionalen Stärken und Bedürfnisse zu vertreten. Durch gezielte Investitionen in Forschungsinfrastruktur, die Förderung von Aus- und Weiterbildung im Bereich der Quantentechnologie und die Schaffung attraktiver Rahmenbedingungen für Unternehmen kann sich Thüringen als ein wichtiger Baustein in der deutschen Quantenlandschaft positionieren.

Auch wenn der genaue Zeitpunkt der Marktreife revolutionärer Quantentechnologien noch ungewiss ist, so ist das Potenzial für bahnbrechende Innovationen unbestreitbar. Thüringen und Deutschland haben die Chance, eine globale Spitzenposition in dieser Schlüsseltechnologie der Zukunft einzunehmen. Es gilt nun, die hervorragende Ausgangslage zu nutzen, die europäische Zusammenarbeit zu stärken, den Transfer von Forschungsergebnissen zu forcieren und mit einer verlässlichen Politik die Weichen für eine erfolgreiche Zukunft der Quantentechnologie zu stellen. Die neue Bundesregierung sollte diese Chance nicht verpassen – und Thüringen sollte bereit sein, seinen Beitrag zu leisten. (tl)

Die „Quantum Simulator Challenge 2024“ zog insgesamt 46 Teams aus Wissenschaft und Industrie aus 13 Nationen an. Ihr Ziel: die Entwicklung bahnbrechender Quantenanwendungen für individuell definierte Problemstellungen. Über einen Zeitraum von fünf Monaten, von Juli bis November des vergangenen Jahres, stellten die Teams ihr Know-how unter Beweis. Dabei nutzten sie intensiv den 40-Qubit-Quantensimulator von Fujitsu, ein weltweit führendes System seiner Art. Insgesamt wurden beeindruckende 2.282 Berechnungsaufträge mit einer Gesamtbetriebszeit von 14.500 Stunden auf diesem Hochleistungsrechner durchgeführt.

Eine hochkarätige zwölfköpfige Jury, bestehend ausführenden Expertinnen und Experten der Quantencomputing Abteilung von Fujitsu, nahm die anspruchsvolle Bewertung vor. Das Team der TU Ilmenau, angeführt von Philipp Pfeffer, konnte die Jury mit seinem innovativen Algorithmus namens QuPIV nachhaltig beeindrucken.

Bemerkenswerte Leistung

QuPIV ist ein neuartiger Quantenalgorithmus, der die Berechnung sogenannter Kreuzkorrelationen ermöglicht. Diese Methode dient der präzisen Bestimmung des räumlichen Versatzes zweier zeitlich kurz aufeinander folgender Verteilungen von Partikeln zur Strömungsmessung.

Die potenziellen Anwendungsbereiche dieses Algorithmus sind äußerst vielfältig und reichen weit über die Grundlagenforschung hinaus. In der Luft- und Raumfahrttechnik könnte QuPIV beispielsweise zur Optimierung von Strömungsverhalten beitragen, während in der Automobilindustrie die Aerodynamik von Fahrzeugen präziser analysiert werden könnte. Darüber hinaus bietet der Algorithmus vielversprechende Ansätze zur Analyse von Fußgänger strömen in urbanen Räumen oder zur detaillierten Charakterisierung mikrofluidischer Systeme, die in der Biotechnologie und Medizintechnik eine immer größere Rolle spielen.

Das erfolgreiche Team der TU Ilmenau setzt sich aus drei jungen, ambitionierten Wissenschaftlern zusammen: Julia Ingelmann und Philipp Pfeffer vom Fachgebiet Strömungsmechanik sowie Theo Käufer vom Fachgebiet Technische Thermodynamik. Ihre interdisziplinäre Expertise erwies sich als entscheidender Faktor für den Erfolg bei der „Quantum Simulator Challenge“. Stellvertretend für das gesamte Team nahm Philipp Pfeffer das Preisgeld in Höhe von 30.000 US-Dollar (umgerechnet etwa 27.700 Euro) entgegen. Dieses Preisgeld ermöglicht es den drei promovierenden Forschenden nun, an renommierten wissenschaftlichen Konferenzen teilzunehmen und ihre wegweisende Arbeit einem internationalen Fachpublikum zu präsentieren. (tl)

Für Andreas Tünnermann war 2023 ein Jahr der Jubiläen: Der international renommierte Laserforscher feierte nicht nur in diesem Sommer seinen 60. Geburtstag. Darüber hinaus blickt er zurück auf mittlerweile 25 Jahre als Lehrstuhlinhaber und Professor am Institut für Angewandte Physik der Universität Jena sowie auf 20 Jahre als Leiter am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF.

In mehr als zwei Jahrzehnten hat er den Optik- und Photonikstandort Jena damit wesentlich geprägt und geformt. Im Interview wirft Professor Tünnermann einen Blick zurück und schaut zugleich schlaglichtartig auf die Zukunft.

Herr Tünnermann, 2023 gab es für Sie sicher einige Anlässe, um in Erinnerungen zu stöbern. Lassen Sie uns teilhaben: Welche Meilensteine Ihrer Anfänge in Jena und Ihrer beruflichen Laufbahn sind Ihnen besonders in Erinnerung geblieben?

Ich erinnere mich noch gut an meinen ersten Besuch hier in Jena, gleich nach meiner Promotion in Hannover im Jahr 1992. Dieser erfolgte im Rahmen der Vorbereitung eines gemeinsamen Forschungsprojektes zu Faserlasern mit dem heutigen Leibniz-Institut für Photonische Technologien (IPHT) und dem Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH).

Damals, im Winter 1992/93, lag über Jena Nebel und es roch stark nach Kohleöfen. Aber nichtsdestotrotz – ich konnte diesen besonderen Spirit spüren, der den Optikstandort schon immer gekennzeichnet hat.

1997 habe ich mich auf den Lehrstuhl für Angewandte Physik beworben. Mein Amtsantritt folgte am 1. März 1998 hier am Institut am Beutenberg. Ein Zimmer im Wohnheim war mein erster Wohnsitz in Jena – also gleich mittendrin.

In besonders guter Erinnerung sind mir gerade aus diesen  Anfangsjahren die Auftritte auf internationalen Tagungen geblieben, wo  wir in Gruppenstärke mit Studierenden, Promovierenden und Seniors auftraten – das hat unser Team zusammengeschweißt und unseren gemeinsamen Spirit geprägt.

In Erinnerung sind mir auch die vielen Gespräche mit Lothar Späth geblieben. Er hat mir wie auch schon mein Doktorvater Herbert Welling das ‘unternehmerische Denken’ implementiert.

Und natürlich zählt zu den persönlichen Höhepunkten meiner Laufbahn  auch die Ernennung zum Direktor des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF im Jahr 2003, sowie die Würdigung meiner Forschungsarbeit zu Faserlasern im Jahr 2005 mit dem Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Besonders stolz bin ich auch auf die drei Deutschen Zukunftspreise des Bundespräsidenten, die wir als Team 2007, 2013 und 2020 nach Jena geholt haben – schau‘n wir mal, wann uns der nächste Coup gelingt.

Ein besonderes Projekt der ersten Stunde war für mich auch die Gründung des Optik-Clusters OptoNet e.V., an der ich aktiv teilhaben durfte. Dem Cluster bin ich seither sehr verbuden, er hat die Sichtbarkeit Jenas über Thüringen hinaus mit vorangetrieben.

Wie würden Sie die kulturelle und wissenschaftliche Entwicklung Ihrer Institute seit Ihren Amtsantritten beschreiben? Von welchen Werten und Themen hoffen Sie, dass sie in der sowohl öffentlichen als auch internen Wahrnehmung mit den beiden Instituten in Verbindung gebracht werden?

Unsere Werte – sowohl am Fraunhofer IOF wie auch am Institut für Angewandte Physik – sind geprägt von Leistungsbereitschaft, Gestaltungswillen, Nachwuchsförderung und Wissenstransfer! Unser Anspruch ist es, in der (wissenschaftlichen) Champions League mitzuspielen.

In den vergangenen Jahren haben sich die Themen von der Faserlasertechnik und mikro- und nanostrukturierten Optik erweitert, unter anderem auf Aspekte der Laser-Materie-Wechselwirkung, Freiformoptik und Nichtlinearen Optik bis hin zu den Quantentechnologien.

Dahinter steckt auch immer der Wille zu verstehen, was Anwenderinnen und Anwender wollen: Was sind ihre Herausforderungen und wie können wir dabei helfen, die beste Lösung und reale Mehrwerte zu finden? Von höchster Bedeutung ist hierbei auch die Qualifizierung von wissenschaftlichem Nachwuchs.

Um Fachkräfte für Deutschland zu gewinnen, gründeten Falk Lederer und ich 2008 einen internationalen Studiengang an der Friedrich-Schiller-Universität Jena – die Abbe School of Photonics (ASP). 2018 entwickelten Gerd Leuchs und ich das Konzept weiter in Richtung einer deutschlandweiten Graduiertenschule, der Max Planck School of Photonics (MPSP), mit der wir zusätzlich ein nationales Exzellenznetzwerk geschaffen haben.

Für mich war die Leitung eines Fraunhofer-Institutes immer ein Traum – hier steht die Verbindung von exzellenter Forschung und deren Anwendung missionsgetrieben im Fokus.

Zur Umsetzung dieser Mission haben wir Infrastrukturen aufgebaut, Technologieketten erweitert und Menschen begeistert. Aktuell erweitern wir unser Portfolio strategisch, um einen Beitrag im Bereich der zweiten Quantenrevolution zu leisten. Mit unseren Kompetenzen im Bereich der Photonik werden wir  wegweisende Anwendungen ermöglichen.

In Ihrer bisherigen Amtszeit haben sich insgesamt 19 Unternehmen aus beiden Instituten ausgegründet. Wie motivieren Sie junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zur wirtschaftlichen Selbstständigkeit?

Angehende Gründerinnen und Gründer sollten über das „Unternehmer-Gen“ verfügen. Sie müssen sich immer wieder die Frage stellen: Wie kann ich dazu beitragen, ein spezielles Problem wirklich zu lösen? Welche Lösungen kann ich anbieten? Diese Fragen sollten aber nicht nur im Fokus von Gründerinnen und Gründern liegen. Sie sollten ganz wesentlich unser Tun bestimmen. Das sind Werte, die ich auch in meiner Funktion als Hochschullehrer und Leiter einer Forschungseinrichtung weitergeben möchte.

Gründer und Gründerinnen sollten also immer am Puls der Zeit bleiben. Lohnt es sich hier, auf „Trendthemen“ aufzusatteln? Oder sollte man manchmal auch bewusst abseits ausgetretener Pfade schauen?

Es kann natürlich passieren, dass man in eine Situation hinein gerät in der es plötzlich heißt: Dieses Forschungsfeld ist ausgeforscht. So eine Entwicklung hatten wir vor ein paar Jahren im Bereich der Photonik.

In Ihrer bisherigen Amtszeit haben sich insgesamt 19 Unternehmen aus beiden Instituten ausgegründet. Wie motivieren Sie junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zur wirtschaftlichen Selbstständigkeit?

Angehende Gründerinnen und Gründer sollten über das „Unternehmer-Gen“ verfügen. Sie müssen sich immer wieder die Frage stellen: Wie kann ich dazu beitragen, ein spezielles Problem wirklich zu lösen? Welche Lösungen kann ich anbieten? Diese Fragen sollten aber nicht nur im Fokus von Gründerinnen und Gründern liegen. Sie sollten ganz wesentlich unser Tun bestimmen. Das sind Werte, die ich auch in meiner Funktion als Hochschullehrer und Leiter einer Forschungseinrichtung weitergeben möchte.

Gründer und Gründerinnen sollten also immer am Puls der Zeit bleiben. Lohnt es sich hier, auf „Trendthemen“ aufzusatteln? Oder sollte man manchmal auch bewusst abseits ausgetretener Pfade schauen?

Es kann natürlich passieren, dass man in eine Situation hinein gerät in der es plötzlich heißt: Dieses Forschungsfeld ist ausgeforscht. So eine Entwicklung hatten wir vor ein paar Jahren im Bereich der Photonik.

Die Aussage – auch von Teilen der Community – war damals, dass wir nun alles über die Photonik wüssten und dementsprechend keine neuen Innovationen zu erwarten wären. Tatsächlich hat sich dann aber gezeigt, dass es innerhalb der Photonik sehr wohl noch interessante Entwicklungen gibt, die dazu beitragen können, Lösungen für die Adressierung globaler Herausforderungen abzuleiten.

Der Bereich der Quantentechnologie ist ein solches Themenfeld. Wir haben uns an beiden Instituten der Aufgabe gestellt, den Mehrwert des Einsatzes von Quantentechnologien – ‘the real benefit’ –  herauszuarbeiten. Wir forschen nicht um der Forschung willen, sondern mit Blick auf die Erlangung originärer Beiträge zum Verständnis fundamentaler Fragestellungen oder zur Adressierung relevanter Anwendungsszenarien.

Was müssen der Standort Jena, aber auch der Freistaat Thüringen tun, um auch in Zukunft weiterhin einen fruchtbaren Nährboden für (junge) Unternehmen zu bieten?

Es bieten sich heute für unsere Branche besondere Chancen in der Nutzbarmachung quantenphysikalischer Effekte. Die Photonik ist ein „Enabler“ der Quantentechnologien und im Moment ist es so wie in Kalifornien zu Zeiten der Goldsuche: Das Geld machen die, die die Schaufeln und die Siebe verkaufen. Die Photonik liefert jetzt gerade die Schaufeln und die Siebe.

Meine persönliche Hoffnung ist, dass wir es hier in der Region schaffen, ein weltweiter Hotspot für die photonischen Quantentechnologien zu  werden. Der Freistaat aber auch der Bund und die EU haben unsere Forschungsarbeiten in den letzten Jahrzehnten stark unterstützt. Ich hoffe natürlich, dass diese Unterstützung auch in den heute wirtschaftlich herausfordernden Zeiten weiter anhält.

Besonders wichtig sind mir dabei die Investitionen in Menschen selbst. Es ist mir ein persönliches Anliegen, dass die weltweit Besten der Besten nach Deutschland und Thüringen kommen und mit uns ihre Ideen umsetzen können. Unser aller Zukunft wird davon abhängen, ob es uns gelingt, die besten Köpfe für Deutschland zu gewinnen und sie hier zu halten.

Die Notwendigkeit von Quantenkommunikation

Die steigende Nachfrage nach digitalen Kommunikationsnetzen mit höherer Bandbreite und dichteren Netzwerken erfordert effiziente und sichere Kommunikationskanäle. Die gegenwärtige Infrastruktur ist anfällig für Hacker-Angriffe und benötigt dringend Verbesserungen. Die Netzinfrastruktur von Internetdienstanbietern (ISP) ist aufgrund mangelnder Sicherheitstechnologien nicht in der Lage, eine garantierte und akzeptierte Sicherheit bei der Datenübertragung, kryptografischen Schlüsselverteilung und Zufallszahlengenerierung zu gewährleisten. In einer zunehmend digitalisierten Gesellschaft ist die Sicherheit von Kommunikationssystemen jedoch von entscheidender Bedeutung.

Quantenkommunikation ist eine zukunftsweisende Schlüsseltechnologie

Der digitale Fortschritt, insbesondere die Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, QKD), ermöglicht den Übergang von mathematischen kryptografischen Methoden zur garantierten Sicherheit durch grundlegende physikalische Prozesse der Quantenmechanik. Trotzdem werden solche Anwendungen der Quantenkommunikation in den bestehenden Telekommunikationsnetzen noch nicht ausreichend genutzt. Die Integration und langfristige Stabilität solcher Technologien erfordern einen effizienten Technologietransfer, insbesondere bei der Nutzung von temperatur- und windlastabhängigen Glasfaserstrecken über Freileitungen, die in IKT-Providernetzen üblich sind.

Quantenkommunikation: Made in Thüringen

Auf europäischer Ebene wird derzeit eine Quantenkommunikationsinfrastruktur (EuroQCI) etabliert, die sich über die gesamte EU erstreckt. Die Hochschule Nordhausen wirkt in zwei europäischen Forschungsprojekten im Bereich Quantenkommunikation mit, die unterschiedliche Zielrichtungen verfolgen: Das Projekt Q-Fiber hat das technologische Ziel, die mit heutiger klassischer Technologie notwendige parallele Quanten-Fiber-Infrastruktur auf einer gemeinsamen IKT und QKD-Fiber zu vereinen, indem Hohlkernfasern statt klassischer Single Mode Faser zum Einsatz kommen, mit grundlegend unterschiedlichen Materialeigenschaften. Q-Fiber konzentriert sich bei der wissenschaftlichen Analyse auf die physikalische Ebene neuer Hohlkernfasern sowie deren Ausbringung im Betrieb und deren Performance.

Demgegenüber setzt das Projekt Q-net-Q auf die klassische Single Mode Fiber Infrastruktur für QKD und für IKT Datenübertragung. Dabei konzentriert sich das Projekt auf die Integration und das Management von QKD Komponenten in vorhandene Internet-Infrastrukturen. Das beinhaltet auch das Schnittstellendesign für den Multi-User-Schlüsselaustausch und ein offenes standardisiertes IKT-Netzwerkmanagement. Das Projekt Q-net-Q ist ein EU-gefördertes Verbundforschungsprojekt mit nationaler Kofinanzierung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung, das unter Leitung der Hochschule Nordhausen und mit Beteiligung des Fraunhofer IOF durchgeführt wird. Das Fördervolumen beträgt 11,8 Millionen Euro. Der Startschuss für die Förderung fiel am 1.3.2023.

Thüringens Wirtschafts- und Wissenschaftsminister Wolfgang Tiefensee hat am Erfurter Fraunhofer-Zentrum den Startschuss für die Erweiterung des Quantennetzwerkes in Deutschland gegeben. Er nutzte die Gelegenheit, um sich über den Fortschritt bereits bestehender Forschungsprojekte zu informieren. „Thüringen ist einer der führenden Standorte im Bereich der Quantenkommunikation. Als Land investieren wir seit Jahren gezielt in den Ausbau der dafür benötigten Kompetenzen und Infrastrukturen“, so der Minister. Die Erweiterung der bereits bestehenden Teststrecke zwischen Jena und Erfurt sei ein weiterer großer Schritt in diese Richtung. „Damit schaffen wir die Voraussetzungen für eine sichere Quantenkommunikationsinfrastruktur in ganz Deutschland. Thüringen wird mit seinen Forschungseinrichtungen und Unternehmen darin künftig einen zentralen Knotenpunkt bilden“, so Tiefensee. Mit Mitteln des Landes wurde bereits eine Glasfaser-Teststrecke zwischen dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena und dem Fraunhofer-Zentrum in Erfurt etabliert. Hier wurden bereits erfolgreich Quantenschlüssel ausgetauscht. Für die Teststrecke konnte auf eine bereits bestehende Infrastruktur aus konventionellen Telekommunikations-Glasfasern zurückgegriffen werden.

Erweiterung der Teststrecke

Gegenwärtig wird daran geforscht, wie sich die neusten Systeme zur sogenannten Quantenschlüsselverteilung in diese bestehenden Netzwerke integrieren und für verschiedene Anwendungsfelder nutzbar machen lassen. Dafür ist eine Erweiterung der Teststrecke geplant, die nun weiter voranschreitet: An die bereits bestehende Verbindung zwischen Jena und Erfurt werden bis 2024 die Thüringer Gemeinden Nordhausen und Sundhausen angeschlossen. Weiterhin wird innerhalb von Jena auch das Universitätsklinikum an die Teststrecke angekoppelt. Damit wird die faserbasierte Teststrecke auf eine Gesamtlänge von mehr als 150 Kilometern ausgedehnt. Bis voraussichtlich Ende 2024 sind weitere Streckenabschnitte bis nach Berlin und Frankfurt am Main geplant. Das Fraunhofer-Zentrum in Erfurt wird dabei der Knotenpunkt sein.

Bereits zu Beginn des vergangenen Jahrhunderts wurden die Grundlagen für die Quantenphysik gelegt. Danach brauchte es knapp 50 Jahre, um ers­te Anwendungen wie den Laser hervor­zu­bringen. Aus dieser soge­nann­ten „ersten Quantenrevolution“ ging die Photonik als eine wesent­liche Schlüs­seltechnologie hervor, um aktuellen und anstehenden He­raus­forderungen der Menschheit zu begegnen.

Quantenforschung in Jena

Der Standort Jena hat die Ent­wick­lung dieses wichtigen Zukunfts­fel­des seither maßgeblich mitgeprägt: In der Thüringer Industrie finden sich heute 15.000 Arbeitsplätze mit Bezug zur Photonik. Da­rüber hinaus treiben Hochschulen und außer­universitäre Forschungseinrichtungen weitere Fort­schritte voran. Und das mit Erfolg: Seit der ersten Quantenrevolution sind erneut 50 Jahre ver­gangen – und wir sind einen gro­ßen Schritt wei­ter.

An der Schwelle zur zweiten Quantenrevolution

Heute können wir einzelne Quanten kontrollieren und stehen damit an der Schwelle zur mittlerweile zwei­ten Quanten­revolution. Die Photonik ist hierbei ein wichtiger Enabler: Zahlreiche Einrichtungen in Thüringen befassen sich mit vielfältigen Aspekten der zweiten Quantenre­volution auf der Grundlage ihrer aus­ge­wählten Kompetenz in der Photonik. Netzwer­ke wie der „Quantum Hub Thüringen“ bündeln dabei das mannigfaltige Wissen und schaffen Sy­nergien zwischen Forschung, Industrie und Wissenschaft. Gemeinschaftlich wird hier der Mehrwert der Quanten für die Bereiche Compu­ting, Bildgebung und Kommunikation unter­sucht.

Quanten in der IT-Sicherheit

Insbesondere in der IT-Sicherheit der Zukunft sind die Quanten stark gefragt. Denn unsere Welt ist hochvernetzt und deswegen in besonderem Maße anfällig für Cyber­an­griffe. Attacken auf kritische Infrastruk­turen wie Energienetze und sicherheitskritische Behörden können nicht nur sensible Daten, son­dern potenziell sogar Leben gefährden. Die Quan­tentechnologien halten hier, im wahrsten Sinne des Wortes, den Schlüssel zur Zukunft für uns bereit. Denn mithilfe von miteinander ver­schränk­ten Lichtteilchen lassen sich sensible In­formationen in Zukunft physi­kalisch nachweis­lich und praktisch abhörsicher verschlüsselt über­tragen.

Mit ihrer Forschungs- und Entwicklungsarbeit er­zielen Forschende aus Jena dabei immer wie­der Rekordwerte: Auf einer Teststrecke zwischen dem Fraunhofer-Institut auf dem Beuten­berg und den Stadtwerken Jena wurden über eine Dis­tanz von 1,7 Kilometern Luftlinie bereits er­folgreich Quantenschlüssel mit Schlüssel­ge­nerierungsraten im Bereich von mehreren Kilo­bit pro Sekunde ausgetauscht. Für den Austausch eines Quantenschlüssels via Freistrahl in­ner­halb eines urbanen Gebiets gehört diese Generie­rungs­rate weltweit zu den höchsten. Sie würde aus­reichen, um ein Telefonat innerhalb einer Stadt problemlos hochsicher zu ver­schlüs­seln.

Noch größere Distanzen überbrückten Wissen­schaft­lerinnen und Wissenschaftler im ver­gan­genen Jahr als erstmals erfolgreich Quanten­schlüs­sel via Glasfaser über eine Strecke von 75 Kilometern zwischen Jena und Erfurt ausge­tauscht wurden. Der Clou dabei: Die Übertra­gung erfolgte über konventionelle Telekommu­ni­ka­tions­glas­faser. Ein weiterer Ausbau der Test­stre­cke ist um Netzwerkpunkte in Nordhausen, Dresden, Erlangen, Frankfurt und München ge­plant.

Kurzum: Forschende an Thüringer Hochschulen und außeruniversitären Forschungsein­rich­tun­gen sind maßgeblich daran beteiligt, die zweite Quantenrevolution mit­zugestalten. Aus­grün­dun­gen wie etwa die Quantum Optics Jena GmbH, ein Spinoff des Fraunhofer IOF, tragen weiterhin dazu bei, Forschung vom Labor raus in die re­ale An­wendung zu überführen (siehe Beitrag Seite 12).

Doch ohne weiteren politischen Willen und ein ge­meinsames Engagement von Wissenschaft und Wirtschaft geht es nicht. Der Paradig­men­wechsel hin zu den Quan­tentechnologien bietet dabei auch für uns als Gesellschaft, speziell als europäische Gemeinschaft, eine Chance für ein stär­keres Zusammenwachsen.

Durch eine aktivere europäische Indus­trie­politik kann es uns gelingen, uns als Wirtschaft und Gesellschaft global zu eman­zipieren.

Denn tatsächlich nützt es uns wenig, Methoden zur hochsicheren Verschlüsselung in Europa zu erforschen, wenn Bauteile für elektronische Geräte wie Computer und Smartphones nach wie vor im außereuropäischen Ausland einge­kauft werden müssen. Wir können noch so ef­fek­tiv verschlüsseln, jedoch wird jede hochsichere Kryptographie kompromittiert, wenn sich in jeder Computerhardware ein Hintertürchen versteckt. IT-Sicherheit ist eine europäische Auf­gabe, für die wir gemeinsame Verantwortung überneh­men müssen. Die Quantentechnologien bieten uns hier den Startschuss für ein neues Zeitalter – tech­nologisch wie auch gesellschaft­lich. (at)

In der Arbeitsgruppe „Quantum Op­tics“ am Institut für Angewandte Phy­sik der FSU Jena versuchen wir, diese besonderen Licht­zu­stände für die Bildgebung nutzbar zu machen. Ziel dieser Arbeiten ist es, die Quan­ten­bildgebung für Anwendungen in der Me­dizin und Biologie zu nutzen und damit neue Möglichkeiten zur Dia­gnostik und Therapie von Krank­heiten zu schaffen.

Die besonderen Eigenschaften von Photonen­paa­ren, die auf fundamentale quanten­me­cha­nische Prinzipien zurückzuführen sind, eröffnen das Potenzial, sehr rausch­arme Bilder mit ei­ner sehr geringen Anzahl von Photonen zu erzeugen. Die Verbindung zwischen den beiden Pho­tonen eines Paares erlaubt dabei, eines davon mit dem Test­objekt interagieren zu lassen, aber nur das an­dere mittels einer Kamera zu detektieren. Da die beiden Photonen dabei auch un­ter­schied­liche Wellenlängen auf­weisen können, ist es auf die­se Weise zum Beispiel mög­lich, Bilder im Infra­roten mit Kameras aufzunehmen, die nur für sicht­bares Licht sensitiv sind. Dies ist ein wesent­licher Vorteil in Anwendungen, da Infrarot­ka­me­ras wesentlich schlechtere Ei­gen­schaften auf­wei­sen als solche für sichtbares Licht, dabei aber um ein Viel­faches teurer sind.

Auf diesen Eigenschaften basieren­de Bildgebungsverfahren können für verschiedene Anwendungen von Vor­teil sein.

Insbesondere dort, wo mit geringen Lichtinten­si­täten und in technisch schlecht erschlos­se­nen Wel­len­län­genbereichen wie dem Infraroten ge­ar­beitet werden muss. Al­ler­dings wurden die grund­legenden Vorteile dieser Verfahren bisher nur an relativ einfachen Laboraufbauten de­mon­striert.

Unsere Arbeit – gefördert durch den Freistaat Thüringen, das Bun­des­mi­nisterium für Bildung und For­schung und die Eu­ro­päische Uni­on – zielt darauf ab, Quantenbildgebungsverfahren so weiterzuentwickeln, dass sie in echten An­wen­dungen in Medizin und Biologie nutzbar sind. Ein besonderes Au­gen­merk liegt bei un­seren Forschungsarbeiten auf der Integration von Quantenbildgebungsverfahren mit hoch­auf­lö­senden Mikroskopen aber auch in der Ent­wicklung neuer Detektions- und Aus­werte­ver­fah­ren, um noch mehr Informationen über die un­tersuchten Objekte zu gewinnen. Auch ar­bei­ten wir gemeinsam mit einer Vielzahl von regio­nalen, nationalen und internationalen Part­nern in­tensiv an der Weiterentwicklung von Sensoren und Detektoren. Die bisher zur Verfü­gung ste­hen­den stellen derzeit eine wesentlich tech­ni­sche Einschränkung dar.

Insgesamt birgt die Quantenbild­ge­bung mit Photonenpaaren großes Po­tenzial für die biomedizinische Bild­gebung.

Durch die enge Zusammenarbeit von Forschern aus verschiedenen Disziplinen und die ge­mein­same Entwicklung neuer Technologien wird es mög­lich sein, dieses Po­ten­zial in den kom­men­den Jahren vollständig auszuschöpfen. (fs)