Uveďte další fázi v kvantovém výpočetnictví

V čistém prostoru skupina sama vyrábí krystaly a integruje je do takzvaných III-V fotonických platforem (viz obrázek). (Zdroj: Martin Brandstätter; Autorské právo: Univerzita Würzburg)

Dr. Andreas Pfenning vede projekt. (Zdroj: Martin Brandstätter; Autorská práva: Univerzita Würzburg)

Na Julius’Maximiliansküche vü Würzburgu (JMU) vzniká momentální technologie, která by mohla hrát klíčovou roli v budoucnosti kvantových technologií: nový fázový modulátor, který extrá rychle a prakticky bez ztrát ovládá svítelné signály. Pro vývoj tohoto prvku získala mladá skupina Ferro35 vedená Dr. Andreas Pfenning, katedra technické fyziky, od Spolkového ministerstva pro výzkum, technologie a vesmír (BMFTR) více než 6,6 milionu eur.

Kvantové počítace, kvantoví senzory a odposlechové komunikace jsou považovány za klíčové technologie nadcházejích desetiletí. Přesto dosud chybí prvek, který je nezbytný pro škálovatel'né fotonické kvantové systémy: modulátor, který přesně ovlivřuje kvantové stavy, aniž by naruÅ¡il citlivý svítelný signál. Právě sem směřuje mladá skupina.

Prvek, který dělá rozdíl

Fázové modulátory jsou v klasických optických sítích již dlouho zavedené. Pro kvantové technologie ale stávají nedostatečné. „Potřebujeme prvky, které umožní vysokou rychlost a současně extrámně malé optické ztráty,” říká Pfenning, „tato kombinace dosud neexistuje — a je klíčová pro složité kvantové obvody.”

Proto se mladá skupina zaměřuje na nový přístup: integruje barytitanat (BTO) do III’V’ fotonických platforem, které jsou již používány pro efektivní zdroje kvantového světla. Spojení těchto dvou materiálových systémů je technicky náročné, ale otevírá naprosto nové možnosti ovládání světla na čipu.

Krystaly z vlastní produkce

Aby tento přístup fungoval, vyrobí tým nutné krystaly sami: vrstvu po vrstvičce, věčej vědeckém prostředí a za vysokého vakua. Metoda se nazývá molekulární epitaxe (MBE) a patří mezi nejpřesnější techniky v materiálovém výzkumu. Již existuje několik zařízení MBE v laboratoři Gottfrieda Landwehra pro nanotechnologie, a další bude speciálně začízeno pro Ferro35. „Pro ferroelectric materiály potřebujeme velmi čisté prostředí,” vysvětluje Pfenning, „i nejmenší kontaminace můžou změnit vlastnosti krystalů.”

Jako z lega: od prvku k kvantovému obvodu

Kromě modulátoru vyvíjejí skupina další komponenty, které jsou potřebné pro fotonické kvantové obvody, například vlnovody, spojky a integrované zdroje kvantového světla. Tyto prvky nejdůve simulují a potře je vyrábějí v prostředí vědeckého laboratoře.

„Vytváříme knihovnu komponent, s jejímiž můžeme navrhovat, sestavovat a přímo vyrábět obvody,” říká Pfenning, „to je v jistém smyslu jako skládání lega: pokud je vhodný prvek na správném městče, vznikne funkční obvod krok za krokem. Vyvinuté designy lze ihned vyrábět a experimentčně testovat.”

Tento přístup nejen usnadřuje vývoj, ale otevří i nové možnosti ve výščí vědě. Studentům se bude moci přištěstěovat s modely „hravou formou” — hravý přístup k vysoce složitému výzkumu.

Až budou plně skalovatelné kvantové počítace realitou, potřebuje to jeÅ¡tě trochu ščasnější doba. Ale prvky vyvinuté v projektu by mohly přinášet plodné ovoce důže děště. „Rychlé a ztrátové modulátory jsou také zajímavé pro telekomunikace,” říká Pfenning. „NaÅ¡e technologie tady může předat důležité impulzy.”

Program podpory „Quantum Futur“

Ferro35 je podporováno v rámci programu „Quantum Futur 3“. Iniciativa BMFTR podporuje mladé vědce a vědkynĚe v zakládání samostatných výzkumných skupin, které vytvářejí nové technologické základy pro druhou generaci kvantových technologií. Pro Dr. Andrease Pfenninga znamená podpora možnost zavést jasně definovanou výzkumnou směř v JMU: ferroelektrickou kvantové fotoniku.

S Ferro35 vzniká technologická platforma, která by měla dlouhodobě přispívat ke zvyšování technologické suverenity Německa a Evropy. Podpora zahrnuje vybudování vlastní infrastruktury, vzdělávání vědského personálu a vývoj klíčových prvků pro fotonické kvantové systémy.

O osobě

Dr. Andreas Pfenning od roku 2026 vede mladou skupinu Ferro35 na katedře technické fyziky na JMU. Od konce roku 2022 vede skupinu Semiconductor Quantum Photonics a dokončuje habilitaci v oboru experimentální fyzika.

Po svém doktorátu pracoval jako postdoktorand v Quantum Matter Institute na University of British Columbia v Vancouveru, kde se zabýval zpracováním fotonických kvantových informací v siliconu. Jeho současní výzkum spojuje integrovanou kvantovou fotoniku, nové ferroelectric materiály a vývoj škálovatelných kvantových technologií.