De volgende fase in de kwantumcomputing inleiden

In de cleanroom produceert de groep de kristallen zelf en bouwt deze in zogenaamde III-V-fotoniekplatformen (zie afbeelding). (Bron: Martin Brandstätter; Copyright: Universiteit Würzburg)

Dr. Andreas Pfenning leidt het project. (Bron: Martin Brandstätter; Copyright: Universiteit Würzburg)

Aan de Julius’Maximilians’Universiteit Würzburg (JMU) wordt momenteel een technologie ontwikkeld die cruciaal zou kunnen zijn voor de toekomst van de kwantumtechnologieën: een nieuw soort fase-modulator die lichtsignalen extreem snel en bijna verliesvrij kan regelen. Voor de ontwikkeling van dit onderdeel ontvangt de jonge onderzoeksgroep Ferro35 van Dr. Andreas Pfenning, leerstoel voor Technische Fysica, meer dan 6,6 miljoen euro van het Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR).

Quantencomputers, kwantumsensoren en afluisterveilige communicatie worden beschouwd als sleuteltechnologieën voor de komende decennia. Maar ondanks grote vorderingen ontbreekt tot nu toe een essentieel onderdeel voor schaalbare fotonische kwantumsystemen: een modulator die kwantumtoestanden nauwkeurig beïnvloedt zonder het delicate lichtsignaal te verstoren. Hier richt de jonge onderzoeksgroep zich op.

Een onderdeel dat het verschil maakt

Fase-modulators zijn al lang ingeburgerd in klassieke optische netwerken. Voor kwantumtechnologieën zijn de huidige oplossingen echter niet voldoende. „We hebben componenten nodig die hoge snelheden mogelijk maken en tegelijkertijd extreem lage optische verliezen vertonen“, zegt Pfenning, „deze combinatie bestaat tot nu toe niet — en is essentieel voor complexe kwantumschakelingen.“

De jonge onderzoeksgroep volgt daarom een nieuwe aanpak: ze integreert bariumtitanaat (BTO) in III’V’-fotonicaplatforms, die al worden gebruikt voor efficiënte kwantumlichtbronnen. De combinatie van beide materiaalsystemen wordt als technologisch veeleisend beschouwd, maar opent volledig nieuwe mogelijkheden voor de besturing van licht op de chip.

Kristallen uit eigen productie

Om deze aanpak te laten slagen, produceert het team de benodigde kristallen zelf: laag voor laag, in de cleanroom en onder hoogvacuum. De methode heet moleculaire straal epitaxie (MBE) en behoort tot de meest precieze technieken in materiaalonderzoek. Verschillende MBE-systemen staan de groep al ter beschikking in het Gottfried’Landwehr’-Laboratorium voor Nanotechnologie, een andere wordt speciaal ingericht voor Ferro35. „Voor ferro-elektrische materialen hebben we een bijzonder schone procesomgeving nodig“, legt Pfenning uit, „zelfs de kleinste verontreinigingen kunnen de eigenschappen van de kristallen veranderen.“

Net als bij Lego: van onderdeel tot kwantumschakeling

Naast de modulator ontwikkelt de groep andere componenten die nodig zijn voor fotonische kwantumschakelingen, zoals golfgeleiders, koppelaars en geïntegreerde kwantumlichtbronnen. Deze onderdelen worden eerst gesimuleerd en daarna in de cleanroom vervaardigd.

„We bouwen een componentenbibliotheek waarmee we schakelingen kunnen ontwerpen, samenstellen en direct produceren“, zegt Pfenning, „dat doet in zekere zin denken aan het in elkaar zetten van Lego: als het juiste element op de juiste plek zit, ontstaat stap voor stap een werkende schakeling. De zo ontwikkelde ontwerpen kunnen meteen worden geproduceerd en experimenteel worden getest.“

Dit vergemakkelijkt niet alleen de ontwikkeling, maar opent ook nieuwe mogelijkheden in het onderwijs. Studenten moeten in de toekomst met de modellen kunnen experimenteren — een speelse benadering van een zeer complex onderzoeksveld.

Totdat volledig schaalbare kwantumcomputers werkelijkheid worden, zal het nog enige tijd duren. Maar de in het project ontwikkelde componenten zouden eerder vruchtbare grond kunnen bieden. „Snelle en verliesarme modulators zijn ook interessant voor de telecommunicatie“, aldus Pfenning. „Onze technologie kan hier belangrijke impulsen geven.“

Het subsidieprogramma „Quantum Futur“

Ferro35 wordt gefinancierd binnen het kader van het programma „Quantum Futur 3“. De initiatief van het BMFTR ondersteunt jonge wetenschappers bij het opzetten van zelfstandige onderzoeksgroepen die nieuwe technologische fundamenten leggen voor de tweede generatie van de kwantumtechnologieën. Voor Dr. Andreas Pfenning betekent de financiering de mogelijkheid om een duidelijke onderzoeksrichting aan de JMU te vestigen: ferro-elektrische kwantumfotonica.

Met Ferro35 ontstaat een technologieplatform dat op lange termijn bijdraagt aan het versterken van de technologische soevereiniteit van Duitsland en Europa. De financiering omvat de opbouw van eigen infrastructuur, de opleiding van wetenschappelijk personeel en de ontwikkeling van centrale componenten voor fotonische kwantumsystemen.

Over de persoon

Dr. Andreas Pfenning leidt sinds 2026 de jonge onderzoeksgroep Ferro35 aan de leerstoel voor Technische Fysica van de JMU. Sinds eind 2022 leidt hij daar de werkgroep Semiconductor Quantum Photonics en werkt hij aan zijn habilitatie in experimentele fysica.

Na zijn promotie deed hij postdoctoraal onderzoek aan het Quantum Matter Institute van de University of British Columbia in Vancouver, waar hij werkte aan siliciumgebaseerde fotonische kwantuminformatie-verwerking. Zijn huidige onderzoek combineert geïntegreerde kwantumfotonica, nieuwe ferro-elektrische materialen en de ontwikkeling van schaalbare kwantumtechnologieën.