Sichere Kommunikation und hochpräzise Navigation: DLR eröffnet Institut für Quantentechnologien in Ulm

Ob sichere Kommunikation oder zuverlässige Navigation per Satellit – viele Raumfahrt-Anwendungen sind auf hochpräzise Instrumente angewiesen. Technologien auf Basis quantenmechanischer Effekte ermöglichen bislang unerreichte Genauigkeiten und Sicherheit. Das Institut für Quantentechnologien des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt solche Technologien und bringt sie mit der Industrie zur Prototyp-Reife. Das Institut in Ulm schlägt damit die Brücke zwischen Grundlagenforschung und Anwendung. Bei einer digitalen Veranstaltung wurde das DLR-Institut am 27. Mai 2021 offiziell eingeweiht.

„Die Quantentechnologie wird unser Leben verändern. Sie wird die Grundlage bilden für neue Innovationen aus dem DLR, die über den Technologietransfer ihren Weg in die Wirtschaft finden werden. Das ist unser Beitrag zur Stärkung des Wissenschafts- und Wirtschaftsstandorts Deutschland“, erklärt Prof. Anke Kaysser-Pyzalla, Vorsitzende des DLR-Vorstands. „Wir haben hier in Ulm ein ideales Forschungsumfeld gefunden, eingebettet in jahrelang erfolgreich implementierte lokale und regionale wissenschaftlich-technische Strukturen. Die Gründung und der Aufbau von neuen Instituten des DLR ist ohne die umfangreiche Unterstützung durch den Bund und die Länder nicht denkbar.“

„Quantentechnologien sind herausragende Schlüsselkompetenzen für die Zukunft. Wir wollen, dass Deutschland in den nächsten Jahren hier wieder zur Weltspitze aufschließt. Dabei wird die Quantentechnologie im Bereich der Erdbeobachtung, der Satellitenkommunikation und -navigation künftig eine immer wichtigere Rolle spielen. Die Einsatzfelder unserer Satelliteninfrastruktur berühren wichtige hoheitliche Sicherheitsinteressen und sind maßgebliche Grundlagen für das Funktionieren unserer hoch entwickelten Industriegesellschaft. Es wird daher darauf ankommen, auch unsere Satelliteninfrastruktur rasch und konsequent zu modernisieren, um unsere technologische Souveränität auf diesem Feld zu sichern und Abhängigkeiten zu vermeiden“, betont Thomas Bareiß, Parlamentarischer Staatssekretär des Bundeswirtschaftsministeriums. „Ich freue mich, dass wir mit dem DLR einen starken Partner an der Seite haben, mit dem wir diese Herausforderungen und den Wettbewerb meistern werden. Ich freue mich insbesondere sehr darüber, dass der DLR-Standort in Ulm dabei eine zentrale Rolle einnimmt. Das wird einen spürbaren Impuls für die Region und ganz Baden-Württemberg bedeuten und den High-Tech Standort stärken.“

„Wir wollen, dass Baden-Württemberg bei der Wertschöpfung mit Quantentechnologien ganz vorne mitspielt. Das DLR-Institut für Quantentechnologien ist hier eine wichtige Transferbrücke zwischen Forschung und Wirtschaft. Es leistet einen wichtigen Beitrag, um mit quantenbasierten Hard- und Softwarelösungen neue industrielle Standbeine im Land entstehen zu lassen. Daher freut mich natürlich ganz besonders, dass Ulm nun auch eine maßgebliche Rolle innerhalb des DLR bei der Umsetzung der Quantencomputing-Initiative der Bundesregierung einnehmen soll“, sagt die baden-württembergische Wirtschaftsministerin Dr. Nicole Hoffmeister-Kraut.

Aktuell arbeiten mehr als 40 Forscherinnen und Forscher an Themen aus dem Bereich der Quantentechnologien. In den nächsten Jahren werden rund 200 Mitarbeitende hinzukommen. Gemeinsam mit dem DLR-Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik in Hannover und dem Galileo Kompetenzzentrum in Oberpfaffenhofen nimmt das Ulmer Institut eine Vorreiterrolle in diesem Bereich ein. Es unterstützt den Aufbau von Know-how in einer für den Standort Deutschland wichtigen Schlüsseltechnologie.

„Quantentechnologien werden zukünftig in der Metrologie und Geodäsie sowie beim Betrieb von Kommunikationssatelliten angewendet“, erläutert Prof. Hansjörg Dittus, Mitglied des DLR-Vorstands für Raumfahrtforschung und -technologie. „In Ulm erfolgt auch die Begleitforschung, um Quantentechnologien für die Wirtschaft nutzbar zu machen. Ein Weg dafür ist der Technologietransfer des DLR.“

Neue Uhren-Generation für präzise Zeitmessung und Positionsbestimmung

Ein zentrales Vorhaben des Ulmer DLR-Instituts ist das Projekt COMPASSO. Im Mittelpunkt steht die Entwicklung optischer Uhren. Diese nächste Generation der Atomuhren nutzt die Quantenphysik und bietet eine nochmal höhere Präzision bei der Zeitmessung – mindestens um den Faktor hundert. Die Technologie kann zum Beispiel auf Satelliten zum Einsatz kommen und Navigationssysteme wesentlich leistungsfähiger und zuverlässiger machen. Denn Positionsangaben können auf ein bis zwei Zentimeter genau erfolgen. Besonders exakte Positionsbestimmungen sind für viele zukunftsweisende Anwendungen notwendig: für fahrerlose Autos, die Navigation von Schiffen, autonom fliegende Lufttaxis oder Transportdrohnen. Von einer extrem genauen Zeitbestimmung profitieren auch Sensoren auf Satelliten, die das Gravitationsfeld der Erde vermessen oder dem Klimawandel auf die Spur gehen.

Die Herausforderung für das Team vom DLR-Institut für Quantentechnologien liegt vor allem darin, diese Technologie tauglich für die Raumfahrt zu machen: Sie muss möglichst klein, robust und langlebig sein. Deshalb kommen unter anderem spezielle Laser und neuartige Materialien, wie Hightech-Keramiken, zum Einsatz. Diese verformen sich bei Temperaturwechseln nur minimal. Um das System in der Erdumlaufbahn zu erproben, plant das DLR für das Jahr 2024 die gleichnamige Weltraummission COMPASSO auf der Internationalen Raumstation ISS. Auf der Außenplattform Bartolomeo soll das Instrument ein Jahr getestet werden. Zu den Partnern des Projekts gehören die Unternehmen Airbus, Menlo Systems, SpaceTech und Tesat Spacecom.

Langfristig sicher: Quantenkommunikation und Quantenkryptografie

Technologische Durchbrüche im Bereich der optischen Komponenten und deren Miniaturisierung ermöglichen auch Fortschritte im Bereich der Quantenkommunikation und Quantenkryptografie. Beides sind weitere Schwerpunkte des neuen Ulmer DLR-Instituts. Quantencomputer könnten viele aktuell verwendeten Verschlüsselungsalgorithmen knacken. Die Quantenkryptografie benutzt die Quantenphysik, um geheime Schlüssel zu erzeugen. Sie kann in der Satellitenkommunikation zum Einsatz kommen, eignet sich aber auch, um die Kommunikation über Glasfaserkabel zu schützen. Daten sollen so auf lange Zeit sicher gemacht werden – unabhängig von Fortschritten bei Quantencomputern und in der Mathematik. Eine langfristig zuverlässige Verschlüsselung ist unabdingbar, um kritische Infrastruktur wie Versorgungsnetze, staatliche Institutionen, Banken oder das Gesundheitswesen zu schützen. Das DLR arbeitet eng mit Industrieunternehmen zusammen, um die benötigten Technologien zu entwickeln und marktreif zu machen.