Vor einem Jahr, im Oktober 2007, wurde der Hannoveraner Exzellenzcluster QUEST (Centre for Quantum Engineering and Space-Time-Research) im Rahmen der Exzellenzinitiative von Bund und Ländern bewilligt. Seit dem hat sich einiges bewegt in der Wissenschaftslandschaft Hannovers und Niedersachsens. QUEST bringt sechs Institute der Leibniz Universität Hannover mit fünf weiteren Forschungszentren aus Niedersachsen zusammen, um erstklassige Forschung am Quantenlimit zu betreiben. In den vier Bereichen Quanten Engineering, Quantensensoren, Raum-Zeit-Forschung und Neuartige Technologien werden zunächst bis 2012 rund 250 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an der Verfeinerung heute schon verfügbarer und zukünftiger Quantentechnologien arbeiten.
Damit sollen beispielsweise ganz grundlegende Fragen der Physik – unter anderem nach der Struktur und den grundlegenden Kräften unseres Universums – beantwortet werden. Die Forscher arbeiten aber auch anwendungsorientiert und suchen nach neuen Möglichkeiten, Satellitennavigationssysteme der nächsten Generation oder Erdbeobachtungssysteme zu entwickeln. In den Reihen der QUEST Wissenschaftler wurden beispielsweise die modernsten Laser der Welt entwickelt.
QUEST wurde im Rahmen der Exzellenzinitiative der Bundesregierung im Oktober 2007 für einen Zeitraum von fünf Jahren bewilligt. Ausgestattet mit 6,5 Millionen Euro pro Jahr, bietet er den beteiligten Wissenschaftlern herausragende Rahmenbedingungen für eine kreative und innovative Forschungsarbeit.
QUEST hat bereits neue Infrastruktur und neue Arbeitsgruppen geschaffen, die die vorhandene Forschungskompetenz der Institute strategisch erweitern. „Zu den ursprünglich 190 Mitarbeitern sind in diesem Jahr bereits 42 neue Mitarbeiter hinzugekommen. An der Leibniz Universität Hannover und bei ihren Partnern wurden durch QUEST in den vergangenen zwölf Monaten 8 neue Professuren, 6 neue Juniorprofessuren und mehr als 24 Nachwuchsforschergruppen und Forschergruppen eingerichtet“, so Prof. Dr.-Ing. Erich Barke, Präsident der Leibniz Universität Hannover. Auf die acht Anfang März ausgeschriebenen Professuren haben sich ausgesprochen hochkarätige Kandidaten aus aller Welt beworben – ein deutliches Zeichen für die Attraktivität von QUEST und die Forschungslandschaft in und um Hannover. Sechs Professuren haben bereits einen Ruf erhalten. Da derzeit ein Mangel an hochqualifizierten Quantenforschern in Deutschland herrscht, spielt auch die Lehre bei QUEST eine entscheidende Rolle bei der Ausbildung von Fachleuten.
„Ein Jahr QUEST hat in Hannover und der gesamten niedersächsischen Hochschullandschaft eine enorme positive Bewegung erzeugt. Aber QUEST strahlt auch über Niedersachsen und Deutschland hinaus – wie die vielen Bewerbungen exzellenter Forscher aus aller Welt zeigen.“, so Prof. Dr. Wolfgang Ertmer, QUEST-Koordinator.
Schon vor der Bewilligung von QUEST gehörten die beteiligten Institute und Einrichtungen zu den renommiertesten auf ihrem Gebiet in Deutschland. Der Exzellenzcluster wirkt jetzt noch als Verstärker für die internationale Sichtbarkeit und Attraktivität der Wissenschaftsregion Hannover.
„Die Exzellenzinitiative hat gezeigt, dass es sich lohnt, in Hannover die hochschulübergreifende Zusammenarbeit auszubauen. Quest steht für Exzellenz und Kreativität am Wissenschaftsstandort Hannover. Ein Ziel der Initiative Wissenschaft Hannover ist es, dass der Standort Hannover bei einer Fortsetzung der Exzelleninitiative noch erfolgreicher abschneidet“, so der Hannoveraner Oberbürgermeister Stephan Weil.
Auch an der Leibniz Universität Hannover selbst schafft der Exzellenzcluster einen Wettbewerb der Verwaltungen. Durch die Doppelstruktur von Cluster- und Fakultätsverwaltung steht die Universität vor der Herausforderung, neue Wege zu einer effektiven Administration zu gehen.
Die Arbeit des Exzellenzclusters QUEST wird allgemein durchweg positiv bewertet. Prof. Dr. Wolfgang Ertmer, Koordinator von QUEST richtet sein Augenmerk aber auch schon auf die Zukunft: „Die Anschubfinanzierung von QUEST ist zunächst auf fünf Jahre ausgerichtet. Man muss aber unbedingt berücksichtigen, dass die Früchte der Forschung eines so hochkomplexen Gebietes wie der Quantenphysik mehr als fünf Jahre zur Reifung brauchen. Wir arbeiten mit allen Beteiligten daran, die Finanzierung auch über das Jahr 2012 hinaus zu sichern. Im ungünstigsten Fall kommen die begonnenen Strukturverbesserungen ins Stocken und stellen so die gesamte Zielsetzung der Exzellenzinitiative, die internationale Forschung an vorderster Front mitzugestalten in Frage.“
Prof. Dr. Karsten Danzmann, stellvertretender Koordinator von QUEST: „Wir verfügen in Hannover über führende Einrichtungen, die an einzelnen Atomen, Atominterferometern, atomaren Quantensensoren, Lasern und Atomuhren sowie der Astronomie mit Gravitationswellen oder der Erdbeobachtung und Geodäsie forschen. Die intensive Zusammenarbeit so unterschiedlicher Fachgebiete wird entscheidend zur Beantwortung der wissenschaftlichen Fragen beitragen. Wir sind auf einem sehr guten Weg, um mit allen vergleichbaren internationalen Forschungszentren, wie dem National Institute of Standards and Technology, dem Massachusetts Institute of Technology oder dem Caltech konkurrenzfähig zu werden.“
An QUEST beteiligte wissenschaftliche Einrichtungen:
- Leibniz Universität Hannover
- Institut für Quantenoptik (IQ)
- Institut für Gravitationsphysik (IGP)
- Institut für Theoretische Physik (ITP)
- Institut für Festkörperphysik (IFKP)
- Institut für Erdmessung (IFE)
- Institut für Angewandte Mathematik (IFAM)
- Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut/AEI), Hannover
- Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH), Hannover
- Gravitationswellendetektor GEO600, Ruthe
- Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Braunschweig
- Zentrum für Raumfahrt und Mikrogravitation (ZARM), Bremen
- Die Exzellenzinitiative der Bundesregierung
Mit der Exzellenzinitiative für Hochschulen wollen Bund und Länder Forschung und Innovation in Deutschland unterstützen. Bis 2011 werden Projekte in der Exzellenzinitiative mit insgesamt 1,9 Milliarden Euro gefördert, 75 Prozent davon trägt der Bund, 25 Prozent die Länder. Insgesamt 40 Graduiertenschulen sollen mit jährlich jeweils einer Million Euro die Ausbildung des wissenschaftlichen Nachwuchses fördern. Für Netzwerke wissenschaftlicher Spitzenforschung, so genannte Exzellenzcluster, stehen 195 Millionen Euro pro Jahr zur Verfügung. Universitäten, die mindestens einen wissenschaftlichen Exzellenzcluster von internationalem Ruf, eine Graduiertenschule sowie eine schlüssige Gesamtstrategie zu einem weltweit anerkannten „Leuchtturm der Wissenschaft“ vorweisen können, können sich auch mit „Zukunftskonzepten zur universitären Spitzenforschung“ bewerben. Für diese Förderlinie stehen 210 Millionen Euro pro Jahr zur Verfügung.
Hintergrundinformationen
Ziel der an QUEST beteiligten Wissenschaftler ist, die gequantelte Welt der Quantenphysik mit der kontinuierlichen Relativitätstheorie von Raum, Zeit und Gravitation in einem physikalischen Modell zu vereinen. Dabei können die Wissenschaftler auf völlig neue Konzepte zur Präzisionsmessung von Länge, Zeit, Beschleunigung, Rotation etc. zurückgreifen, die in den vergangenen Jahren durch neue Quanten-Technologien und Methoden des Quanten- Engineerings geschaffen worden sind. Hierzu zählen zum Beispiel die neuen Atomlaser oder Bose-Einstein-Kondensate, ein von Einstein vorhergesagter und inzwischen experimentell verifizierter makroskopischer Quantenzustand der Materie.
Die QUEST-Forschungsprojekte werden eine enge Verbindung zwischen Grundlagen- und angewandter Forschung herstellen, denn die Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung liefern wesentliche Informationen für Anwendungsbereiche wie Satellitennavigationssysteme der nächsten Generation. Hierzu gehören unter anderem das europäische Navigationssystem Galileo, neue Erdbeobachtungssatelliten oder erheblich genauere geodätische Referenzsysteme. Quantentechnologien, wie sie hier verwendet und entwickelt werden, bilden daher eine hervorragende Basis für Industriekooperationen und innovative High-Tech-Produkte.
Bereich »Quanten-Engineering«
Die neuen Möglichkeiten der Manipulation von Licht und Materie, die mit dem Begriff »Quanten-Engineering« umschrieben werden, haben in den letzten Jahren die Atomphysik und Quantenoptik revolutioniert. Damit erschließt sich diesen Forschungsfeldern ein gänzlich neues Spektrum an Parameterbereichen: So wie man die kohärenten (zusammenhängenden) Lichtwellen des Laserlichts auch als Strom vieler Lichtteilchen bzw. Lichtquanten beschreiben kann, so zeigt ein Teilchenstrom extrem kalter Atome (durch Laserkühlung nahe an den absoluten Temperaturnullpunkt von ca. -273°C gekühlt) mit sinkender Temperatur immer dominanter den Charakter einer kohärenten Materiewelle.
In den Bereich des Denkbaren rücken hierdurch so genannte Atomlaser, die Materiewellen mit laserartigen Eigenschaften emittieren. Dies eröffnet der so genannten Atomoptik – wie der Laser in der Optik – in der Quantenoptik ein völlig neues Anwendungsspektrum sowohl in der fundamentalen Forschung wie auch in neuartigen technischen Anwendungen.
Quanten-Engineering bildet daher einen eigenen großen Forschungsbereich in QUEST.
Dieses Feld bildet die Grundlage für die anderen Forschungsbereiche und Innovationen im Exzellenz-Cluster. Hierzu zählen etwa neuartige Quantensensoren, die nächste Generation optischer Atomuhren, bei denen das »Pendel« im Takt der Lichtfrequenz (circa 1015Hz) schwingt, Gravitationswellendetektoren der nächsten Generation oder neuartige Präzisionsmessgeräte für die Geodäsie.
In diesem Sinne bietet Quanten-Engineering eine Werkbank für neue Ideen, um die Forschung auf diesen Feldern voranzutreiben, ihre physikalischen Grenzen auszuloten und insbesondere neue, weit komplexere und gekoppelte Quantenphänomene zu untersuchen. Die experimentellen und theoretischen Methoden verschiedener Disziplinen werden hier zusammengeführt, um damit neue Kontrollmechanismen für Quantensysteme zu schaffen.
Bereich »Quantensensoren«
Diese Kontrolle ist die Voraussetzung für die Entwicklung von Quantensensoren der nächsten Generation. Im Bereich „Quantensensoren“ werden neue Gravitationswellendetektoren, optische Frequenznormale und Atomuhren sowie Inertialsensoren mit Licht- und Materiewellen entwickelt.
Die drei derzeit arbeitenden Gravitationswellenobservatorien LIGO (US), Virgo (ital.-frz.) und GEO600 (dt-brit.) sind die empfindlichsten Detektoren zur Messung von Längenunterschieden überhaupt: Die Längenänderung in den beiden Armen der Detektoren wird durch ein hochpräzises Laserinterferometer gemessen. In GEO600, dem Gravitationswellendetektor in Ruthe, südlich von Hannover, wird die Technik der nächsten Generation bereits getestet und eingesetzt.
Um hier noch weiter zu kommen, wird in QUEST bereits intensiv an neuen Lichtquellen gearbeitet, die eine besondere Form des Lichts - »gequetschtes Licht« - verwenden, um die lichtbasierten Rauschbeiträge unter das so genannte Quantenrauschlimit zu drücken.
Aus diesem Forschungsbereich resultieren auch die notwendigen Entwicklungen für den weltraumbasierten Gravitationswellendetektor »LISA«, der unter der wissenschaftlichen Federführung des Albert-Einstein-Instituts Hannover konzipiert wird. Das Potenzial der Atomoptik verspricht Atomuhren mit solch unvorstellbaren Genauigkeiten, dass allein schon durch die relativistische Rotverschiebung im Gravitationsfeld der Erde zwei Uhren, die sich in der Höhe über dem Labortisch nur um einen Zentimeter unterscheiden, messbar im Gang abweichen. Diese Forschungsarbeiten in QUEST gestatten hoch interessante Anwendungs-möglichkeiten in der Geodäsie, die damit den Geoid (Potenzial der Erdschwere) mit Hilfe dieser extrem präzisen Atomuhren genau vermessen kann.
Andererseits werden in QUEST neue Atominterferometer konzipiert und gebaut, die als hochgenaue Inertialsensoren die besten »klassischen« Beschleunigungs- und Rotationssensoren bei weitem übertreffen werden. Diese Sensoren werden als weltraumtaugliche Sensoren z.B. den freien Fall verschiedener Massen – insbesondere auf Quantenniveau mit verschiedenen Elementen bzw. Isotopen – untersuchen, um damit das so genannte Äquivalenzprinzip immer genauer zu überprüfen. Dies könnte die ersten Hinweise für eine Theorie der unerforschten Quantengravitation liefern. Mit dem gleichen Ziel wird in QUEST versucht, die Konstanz der Naturkonstanten zu überprüfen, indem man höchstpräzise Atomuhren, die jeweils mit unterschiedlichen Isotopen als atomare Referenz betrieben werden, miteinander vergleicht.
Bereich »Raum-Zeit-Forschung«
Auf der Jagd nach dem großen Ziel der fundamentalen Physik, der ultimativen Vereinigung von Quantentheorie und Gravitation, haben Theoretiker in den letzten 30 Jahren verschiedene radikale Konzepte entwickelt, wie etwa die Stringtheorie mit ihren zusätzlichen Raumdimen-sionen. Alle diese Kandidaten sagen spezifische neuartige Raum-Zeit-Phänomene voraus, deren Größenordnung jedoch völlig unbekannt ist. Erwartet werden unter anderem Verletzungen des Äquivalenzprinzips (»alle Massen fallen gleich«), sich zeitlich ändernde »Fundamental-konstanten« (etwa der Elementarladung), Fluktuationen der Raumzeit-Geometrie (»Raumzeit-Schaum«), anomale Lichtausbreitung im All, modifizierte Schwerkraft und ein Gravitations-wellen-Echo des Urknalls.
Die in QUEST zu entwickelnden Präzisionsinstrumente sind hervorragend geeignet, um die Struktur von Raum und Zeit auf bisher unerreicht kleiner Skala zu sondieren und damit in der Lage, den genannten Phänomenen nachzuspüren. QUEST spannt hierbei einen Bogen zwischen Theorie und Experiment: Auf der einen Seite beeinflusst die theoretische Modellbildung die Anwendungen von QUESTs Quanten-Sensoren im Entwurf neuartiger Experimente mit Atomuhren, Trägheitssensoren (zur präzisen Messung von Beschleunigung, Rotation und Inertialkräften), Gravitationswellendetektoren und beispielsweise dem Erde-Mond-System (Lunar Laser Ranging). Auf der anderen Seite fokussiert eine Verbesserung der Präzision die Anstrengungen der Theoretiker und wird ihnen ermöglichen, ihre Modelle der Quantengravitation einzuengen.
Die besondere Stärke von QUEST besteht in der einmaligen Mischung von Raum-Zeit-Sonden: Neue Quanten-Sensoren und Präzisionsuhren können die Konstanz der Naturkonstanten überprüfen und unterstützen beispielsweise millimetergenaue Erdvermessung, welche die Erforschung des Erdsystems revolutioniert und die Allgemeine Relativitätstheorie herausfordert. Zukünftige Gravitationswellen-Observatorien auf der Erde und im Weltraum könnten unsere kosmologischen Vorstellungen vom Quantenursprung unseres Universums testen und damit die Physik moderner Teilchenbeschleuniger komplementieren. QUEST kann nur gewinnen: Werden keine neuen Phänomene gefunden, schränkt dies die Theorien weiter ein; jede klare Entdeckung eines Signals der Quantengravitation hingegen wäre eine Sensation!
Bereich »Neuartige Technologien«
Die ambitionierten Ziele von QUEST beruhen zu einem ganz wesentlichen Teil auf hoch entwickelten experimentellen Techniken, die in der Abteilung »Neuartige Technologien« auf höchstem Niveau erforscht und weiter ausgebaut werden. Aufbauend auf der in Hannover traditionell starken laserphysikalischen Grundlagenforschung arbeiten auf diesem Feld hauptsächlich Gruppen des Albert-Einstein-Instituts Hannover, des Laserzentrums, der PTB und des Instituts für Quantenoptik gemeinsam an der Entwicklung von Optischen Technologien der nächsten Generation. In diesem Bereich werden Lasersysteme erforscht und weiter entwickelt, die weltweit nur hier in Hannover zur Verfügung stehen. Sie zeichnen sich durch eine extrem hohe Lichtleistung, eine hohe Präzision in der Wellenlänge des Laserlichts oder durch geringes Rauschen aus. So bilden Lasersysteme aus Hannover auch die Basis der amerikanischen Gravitationswellendetektoren.
Die hohen Anforderungen an die Laser gelten genauso auch für die optischen Einzelkomponenten, aus denen die Systeme zusammengesetzt sind, wie etwa die Laserspiegel oder spezielle Lichtleitfasern. Die Anforderungen an diese Komponenten werden immer höher: So müssen die Optiken extremen optischen Leistungen standhalten können oder zum Beispiel auch für den Einsatz im Weltraum tauglich sein, wie das in Hannover entwickelte Lasersystem für die kommende Merkurmission. Um das zu ermöglichen, werden neue Materialien und Konzepte für den Einsatz in optischen Systemen erforscht. QUEST ermöglicht den beteiligten wissenschaftlichen Arbeitsgruppen, ihre weltweite Führungsposition weiter auszubauen beziehungsweise an anderen Stellen zu den führenden Gruppen in der Welt aufzuschließen.
