GREGOR WEIHS, UNIVERSITÄT INNSBRUCK
DIE LAUREATENVORLESUNG

“Halbleiter-Nanostrukturen zur Erzeugung von Einzelphotonen, Zwillingen und Tripletts für die Quantenphotonik”

Während die Photonik ein etablierter Technologiebereich ist, der optische Kommunikation, Fertigung, Sensorik und viele andere Anwendungsgebiete umfasst, nutzt kaum eine ihrer Methoden tatsächlich die Quantisierung von Licht. Quantenphotonik-Anwendungen hingegen bauen explizit auf den Quanteneigenschaften des Lichts auf, um sichere Schlüsselverteilung, optisches Quantencomputing und Quantencomputernetzwerke zu realisieren.

Quellen von Quantenzuständen des Lichts sind wichtige Bausteine solcher quantenphotonischer Systeme. Traditionell wurden diese Quellen mit Hilfe nichtlinearer optischer Techniken in konventionellen optischen Laboraufbauten realisiert, aber für alle realen Anwendungen ist es klar, dass wir eine Miniaturisierung und Integration erreichen müssen. In unserer Arbeit verwenden wir einzelne Halbleiter-Quantenpunkte, Nanodrähte und Wellenleiter, um Quellen für einzelne Photonen, verschränkte Photonenpaare und sogar Tripletts von Photonen zu realisieren. Obwohl es noch viele offene Forschungsfragen gibt, haben diese Quellen das Potenzial, die Quantenphotonik zu einer praktischen Realität zu machen.

THOMAS JENNEWEIN, UNIVERSITÄT VON WATERLOO, KANADA
DIE LAUREATENVORLESUNG

“Photonische Quantenverschränkung für Technologien und Anwendungen: Towards the Quantum Internet”

Quanteninformationsverarbeitung und Quantenkommunikation sind neuartige Protokolle, die ihren Ursprung in den sehr grundlegenden und philosophischen Fragen zu Superposition und Verschränkung haben, die erstmals vor etwa 100 Jahren in den Anfängen der Quantenmechanik aufgeworfen wurden. Auffallend ist, dass diese neuen Protokolle Fähigkeiten bieten, die über die mit der klassischen Physik mögliche Kommunikationsaufgabe hinausgehen. Ein sehr wichtiges Beispiel ist der sichere Schlüsselaustausch, der auf der Übertragung von individuellen Quantensignalen zwischen Kommunikationspartnern basiert. Die große Vision und Grenze auf dem Gebiet der Quantenkommunikationsforschung ist die Entwicklung eines Quanten-Internets, das eine Verschränkung zwischen vielen verschiedenen Nutzern und Geräten herstellt. Die Grundidee ist, dass das Quanteninternet, ähnlich wie das heutige Internet, Quantenbits anstelle der heutigen klassischen Bits zwischen nahen und fernen Nutzern und über viele verschiedene Kanäle übertragen kann. Dieses Quanteninternet könnte für sichere Kommunikation, Quantencomputernetzwerke und messtechnische Anwendungen wie eine bessere Zeitmessung oder verbesserte Teleskope nützlich sein. Ich werde die jüngsten Fortschritte bei den Implementierungen und Werkzeugen zur Erzeugung und Verteilung der photonischen Quantenverschränkung sowie unsere Arbeit an der kanadischen Quantensatellitenmission QEYSSAT diskutieren, die die Übertragung von Quantensignalen vom Boden in den Weltraum demonstrieren wird, mit dem Ziel, globale Entfernungen abzudecken.

ZHENAN BAO, STANFORD UNIVERSITÄT, USA
DIE PREISGEKRÖNTE VORLESUNG

“Haut-inspirierte Elektronik”

Die Haut ist das größte Organ des Körpers und für die Übertragung einer großen Menge an Informationen verantwortlich. Dieses anpassungsfähige, dehnbare, selbstheilende und biologisch abbaubare Material nimmt gleichzeitig Signale von äußeren Reizen auf, die in Informationen wie Druck, Schmerz und Temperatur umgesetzt werden. Die Entwicklung von elektronischen Materialien, die sich an der Komplexität dieses Organs orientieren, ist eine enorme, noch nicht realisierte Materialherausforderung. Das Aufkommen von elektronischen Materialien auf organischer Basis könnte jedoch eine potenzielle Lösung für dieses seit langem bestehende Problem bieten.

Meine Gruppe hat am Verständnis der grundlegenden Designprinzipien neuer elektronischer Materialien gearbeitet, die hautähnliche Eigenschaften haben, wie Dehnbarkeit, Selbstheilungsfähigkeit und biologische Abbaubarkeit, während sie gleichzeitig hervorragende elektronische Eigenschaften aufweisen. Wir realisierten künstliche Haut mit einer Sensibilität und Dehnbarkeit, die mit der menschlichen Haut vergleichbar ist. Wir demonstrierten künstliche Mechanorezeptoren und künstliche Nervensysteme. Die grundlegenden Erfindungen von Materialien und Geräten ermöglichten wiederum eine neue Generation von hautkonformer Elektronik, die für Wearables zur Gesundheitsüberwachung, drahtlose und biologisch abbaubare implantierbare Sensoren für die Sehnenreparatur und Neuroprothesen eingesetzt werden kann.

A. PAUL ALIVISATOS, UNIVERSITÄT VON KALIFORNIEN, BERKELEY, USA
DIE LAUREATENVORLESUNG

“Quantum Dot Light Emitters: Von Displays zur Ermöglichung einer neuen Generation von Energieumwandlungssystemen”

Die Nanowissenschaft hat einen neuen Ansatz für das Design von Materialien geliefert, die Licht absorbieren und emittieren und Ladungen effizient transportieren. Dies sind grundlegende Schritte, die vielen Energieumwandlungstechnologien zugrunde liegen. Diese Präsentation wird sich auf kolloidale Quantenpunkte konzentrieren und wie sie dazu gebracht werden können, Licht zu absorbieren und zu emittieren sowie Ladungen effizient zu transportieren. Wenn die Prinzipien der Nanowissenschaft genutzt werden, um ein kleines Stück Halbleiter herzustellen, das vollständig von der Umgebung isoliert ist,

kann es sich wie ein nahezu idealer Lichtabsorber und -emitter verhalten. Diese “Quantenpunkte” haben nun das Labor verlassen und sind in die Praxis übergegangen, denn sie werden heute in einer neuen Generation von extrem energieeffizienten Displays eingesetzt, die eine außergewöhnliche Farbreinheit bieten. Die Effizienz der Lichtemission dieser Quantenpunkte ist so nahe an der Eins, dass sie tatsächlich neue Ansätze erfordert, um sie genau zu messen. Dies wiederum hat uns dazu veranlasst, zu untersuchen, was passiert, wenn sich Quantenpunkt-Lichtemitter der thermodynamischen Grenze ihrer Lumineszenz-Effizienz nähern. Dieser Vortrag wird einige völlig neue Energieumwandlungsprozesse beschreiben, die durch die Verwendung solcher nahezu idealen Lichtemitter erstmals möglich werden. Wenn es die Zeit erlaubt, werde ich auch aktuelle Arbeiten zu einem neuen Ansatz für einen extrem effizienten ultraschnellen Ladungstransport in Quantenpunktfilmen beschreiben.

HANNES HÜBEL, AIT AUSTRIAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY, WIEN

“Vom lokalen Realismus in ein globales Quantenzeitalter”

In diesem Vortrag werde ich einen Überblick über das Konzept der Verschränkung geben, wie es unser Verständnis der Welt, in der wir leben, radikal verändert hat und wie es in Anwendungen der Quantenkommunikation genutzt wird. Die Quantenschlüsselverteilung (QKD) wird als eine der technologisch fortschrittlichsten Anwendungen der Quantenkommunikation hervorgehoben werden. Dort werde ich aktuelle Trends zur Einbindung von QKD in Telekommunikationsnetzwerke zusammen mit Fortschritten bei der photonischen Integration diskutieren, die es QKD ermöglichen werden, einen weit verbreiteten Einsatz von industriellen Akteuren bis hin zu Heimanwendern zu erreichen.

GERHARD KIRCHMAIR, UNIVERSITÄT INNSBRUCK

“Quanteninformationsverarbeitung mit supraleitenden Schaltkreisen”

Supraleitende Quantenschaltungen sind eine der vielversprechendsten Plattformen für die Realisierung eines Quantencomputers. In diesem Vortrag werde ich einige der Forschungsaktivitäten der Gruppe “Supraleitende Quantenschaltungen” in Innsbruck vorstellen. Ich werde eine kurze Einführung in die Quantenelektrodynamik von Schaltkreisen geben und die Fortschritte bei supraleitenden Qubits hervorheben. Anschließend werde ich zeigen, wie diese Architektur genutzt werden kann, um eine Plattform für Quantenberechnungen und für die Simulation von wechselwirkenden Quanten-Vielteilchensystemen zu realisieren

PHILIP WALTHER, UNIVERSITÄT WIEN

“Von den Quantengrundlagen zum Quantencomputer”

Dieser Vortrag gibt einen Überblick über die beeindruckenden Pionierarbeiten in der Quantenphotonik bis hin zum aktuellen Stand der photonischen Quantencomputer. Die Vorteile photonischer Systeme haben nicht nur grundlegende experimentelle Untersuchungen der Quantenphysik ermöglicht, sondern auch zu neuartigen Anwendungen wie Quantencomputing und sogar Quanten-Cloud-Netzwerken geführt. Der Vortrag endet mit einem kurzen Überblick über Spezial-Quantencomputer, deren Anwendungen sich in einzigartiger Weise für die Optik eignen.

BARBARA STADLOBER, JOANNEUM RESEARCH, GRAZ

“Ferroelektrische Polymere für empfindliche Objektoberflächen”

Ferroelektrische Polymere aus der PVDF-Familie haben sich als multifunktionale und autarke Materialien mit einem breiten Anwendungsspektrum in der gedruckten und flexiblen Elektronik erwiesen. Sie können zur Detektion dynamischer und statischer mechanischer Anregungen wie Druck oder Kraft, Berührung, Stoß und Dehnung, zur Erfassung von Körperstrahlung und -nähe, als Vibrationssensoren zur Körperschalldetektion, als nahtlos integrierte Akustikbauteile, als dehnbare Vitalparametersensoren zur Bewegungs-, EKG- und Atemfrequenzüberwachung sowie als piezoelektrische Energy Harvesting Elemente eingesetzt werden. Nicht zuletzt kann PVDF-basiertes Fluorpolymer auch als Aktuator eingesetzt werden. Diese reichhaltigen Eigenschaften fördern den Einsatz ferroelektrischer polymerer Sensor- und Aktorfolien für empfindliche Objektoberflächen innerhalb von IoT-Szenarien, insbesondere wenn sie auf vielseitigen, flexiblen und leichten Substraten im 2D- oder 3D-Format kostengünstig (z.B. durch Drucken) und großflächig verarbeitet werden können.

Rainer Hainberger
AIT ÖSTERREICHISCHES INSTITUT FÜR TECHNIK, WIEN

MARIA IBANEZ, INSTITUT FÜR WISSENSCHAFT UND TECHNIK AUSTRIA, KLOSTERNEUBURG

“Rationales Design von thermoelektrischen Materialien aus Nanokristall-Bausteinen”

Nanokristalle kann man sich als künstliche Atome vorstellen, aus denen man Materialien aufbaut. Kolloidale Synthesewege sind in der Lage, Nanokristalle mit präziser Kontrolle von Größe, Form, kristalliner Phase und Zusammensetzung zu erzeugen und erlauben so das präzise Design solcher künstlicher Atome. Neben dem Design der Nanokristalle ist die Oberfläche der Nanokristalle ein weiterer Schlüsselfaktor für den Aufbauprozess. Die Möglichkeit, die Chemie der Nanokristall-Oberfläche zu modifizieren, eröffnet einen neuen Freiheitsgrad zur Abstimmung der endgültigen Eigenschaften des Nanomaterials, indem der Oberflächenligand als eigener Baustein definiert wird. Nicht zuletzt werden die funktionellen Eigenschaften auch durch die Organisation der Nanokristalle, deren Vernetzung, Packungsdichte und relative Kristallorientierung im endgültigen Nanomaterial bestimmt. In diesem Projekt werden wir uns auf die Synthese von Nanopartikeln mit genau abgestimmter Zusammensetzung und Oberflächenchemie sowie deren Kombination und Konsolidierung zu nanostrukturierten Materialien konzentrieren, um den Anforderungen der Thermoelektrik gerecht zu werden.

JÜRGEN FLEIG, TECHNISCHE UNIVERSITÄT, WIEN

“Energieumwandlung und Energiespeicherung durch bewegte Ionen in Festkörpern”

Für die chemische Speicherung von elektrischer Energie und für die effiziente Umwandlung von chemischer und elektrischer Energie sind verbesserte und auch neuartige Ansätze erforderlich. Bewegte und reagierende Ionen in Festkörpern spielen eine wesentliche Rolle in diesen Technologien. Der Stand der Technik bei wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien beruht beispielsweise auf der Bewegung von Ionen in Elektroden, und zukünftige Verbesserungen sind zu erwarten, wenn auch der Ionentransport in Festelektrolyten genutzt wird. Power-to-Gas-Technologien wie die Elektrolyse von Wasser können stark von hochmobilen und reaktiven Ionen in Festkörpern profitieren und dasselbe gilt für Brennstoffzellen, die für eine effiziente Umwandlung von chemischer in elektrische Energie eingesetzt werden. Darüber hinaus kann die Ionenbewegung durch Wechselwirkung mit Licht ausgelöst werden, was neue Wege zur Energiespeicherung eröffnen, aber auch den Betrieb von Geräten, z. B. Perowskit-Solarzellen, behindern kann.

GREGOR WEIHS, UNIVERSITÄT INNSBRUCK DIE LAUREATENVORLESUNG