Rozpocznij kolejny etap w obliczeniach kwantowych

W pomieszczeniu czystym grupa sama wytwarza kryształy i umieszcza je na tzw. platformach fotoniki III-V (zobacz obrazek). (Źródło: Martin Brandstätter; Copyright: Uniwersytet w Würzburgu)

Dr. Andreas Pfenning prowadzi projekt. (Źródło: Martin Brandstätter; Copyright: Uniwersytet w Würzburgu)

Na Uniwersytecie Juliusza-Maxymiliana w Würzburgu (JMU) powstaje obecnie technologia, która może mieć kluczowe znaczenie dla przyszłości technologii kwantowych: nowatorski modulatory fazy, który steruje sygnałami świetlnymi niezwykle szybko i niemal bezstratnie. W ramach rozwoju tego elementu młoda grupa badawcza Ferro35 pod kierownictwem dr. Andreasa Pfenninga, z Katedry Fizyki Technicznej, otrzymała od Federalnego Ministerstwa Badań, Technologii i Lotnictwa (BMFTR) ponad 6,6 miliona euro.

Komputery kwantowe, sensory kwantowe i niezawodne komunikacje są uważane za kluczowe technologie nadchodzących dekad. Jednak mimo dużych postępów wciąż brakuje elementu, który jest niezbędny do skalowalnych fotonicznych systemów kwantowych: modulatora, który precyzyjnie wpływa na stany kwantowe, nie zakłócając jednocześnie wrażliwego sygnału świetlnego. To właśnie w tym zakresie działa młoda grupa badawcza.

Element, który robi różnicę

Modulatory fazy są od dawna powszechnie stosowane w klasycznych sieciach optycznych. Jednak obecne rozwiązania nie wystarczają dla technologii kwantowych. „Potrzebujemy elementów, które umożliwiają wysokie prędkości i jednocześnie wykazują ekstremalnie niskie straty optyczne,” mówi Pfenning. „Taka kombinacja dotychczas nie istnieje — a jest kluczowa dla złożonych kwantowych układów przełączających.”

Dlatego młoda grupa badawcza przyjmuje nowatorskie podejście: integruje tytanian baru (BTO) z platformami fotonicznymi III-V, które już są wykorzystywane do efektywnych źródeł światła kwantowego. Połączenie tych dwóch systemów materiałowych jest technologicznie wyzwaniem, ale otwiera zupełnie nowe możliwości sterowania światłem na chipie.

Kryształy własnej produkcji

Aby ten pomysł mógł się powieść, zespół sam wytwarza potrzebne kryształy: warstwa po warstwie, w warunkach czystego pomieszczenia i pod wysokim vacuum. Metoda ta nazywa się epitaksją molekularną (MBE) i należy do najprecyzyjniejszych technik w badaniach materiałowych. Już kilka urządzeń MBE jest dostępnych w Laboratorium Nanotechnologii Gottfrieda-Landwehra, a kolejne zostanie specjalnie przygotowane dla Ferro35. „Do ferroelektrycznych materiałów potrzebujemy wyjątkowo czystego środowiska procesowego,” wyjaśnia Pfenning. „Nawet najmniejsze zanieczyszczenia mogą zmienić właściwości kryształów.”

Jak z klockami Lego: od elementu do kwantowego układu

Oprócz modulatora grupa rozwija inne komponenty niezbędne dla fotonicznych układów kwantowych, takie jak falowody, rozgałęźniki czy zintegrowane źródła światła kwantowego. Te elementy najpierw są symulowane, a następnie produkowane w warunkach czystego pomieszczenia.

„Tworzymy bibliotekę komponentów, dzięki której możemy projektować, łączyć i bezpośrednio wytwarzać układy,” mówi Pfenning. „To w pewnym sensie przypomina składanie klocków Lego: gdy odpowiedni element znajdzie się na właściwym miejscu, krok po kroku powstaje funkcjonalny układ. Tak opracowane projekty można od razu produkować i testować eksperymentalnie.”

Ułatwi to nie tylko rozwój, ale także otworzy nowe możliwości w nauczaniu. Studenci będą mogli eksperymentować z modelami — zabawowy dostęp do wysoce złożonego obszaru badawczego.

Do pełnej skalowalności komputerów kwantowych jeszcze daleko, ale elementy opracowane w ramach projektu mogą już wcześniej znaleźć praktyczne zastosowania. „Szybkie i niemal bezstratne modulatory są również interesujące dla telekomunikacji,” dodaje Pfenning. „Nasza technologia może tutaj wywołać istotne impulsy.”

Program wsparcia „Quantum Futur”

Ferro35 jest finansowane w ramach programu „Quantum Futur 3”. Inicjatywa BMFTR wspiera młodych naukowców w tworzeniu niezależnych grup badawczych, które opracowują nowe podstawy technologiczne dla drugiej generacji technologii kwantowych. Dla dr. Andreasa Pfenninga to wsparcie oznacza możliwość ustanowienia na JMU wyraźnie określonego kierunku badawczego: ferroelektrycznej fotoniki kwantowej.

Powstająca platforma technologiczna Ferro35 ma na celu długoterminowe wzmocnienie suwerenności technologicznej Niemiec i Europy. Finansowanie obejmuje budowę własnej infrastruktury, szkolenie personelu naukowego oraz rozwój kluczowych elementów dla fotonicznych systemów kwantowych.

O osobie

Dr. Andreas Pfenning od 2026 roku kieruje młodą grupą Ferro35 na Katedrze Fizyki Technicznej JMU. Od końca 2022 roku prowadzi tam grupę Semiconductor Quantum Photonics i realizuje habilitację z fizyki eksperymentalnej.

Po obronie doktoratu pracował jako postdoktorant w Quantum Matter Institute na University of British Columbia w Vancouver, gdzie zajmował się fotoniczną kwantową informatyką opartą na krzemie. Obecne badania łączą zintegrowaną fotonikę kwantową, nowatorskie materiały ferroelektryczne i rozwój skalowalnych technologii kwantowych.