20 Jahre und ein Nobelpreis

Anton Zelinger nimmt den Nobelpreis für Physik im Jahr 2022 entgegen.

Foto: Foto: OAW/IQOQI

Das Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften feierte kürzlich sein 20-jähriges Bestehen - und eine Erfolgsgeschichte. IQOQI steht für Spitzenforschung, bahnbrechende Entdeckungen und einen Nobelpreis im Jahr 2022. Auch bei der kommerziellen Verwertung seiner Forschungsergebnisse ist das Institut weltweit erfolgreich.

Als die Österreichische Akademie der Wissenschaften (OeAW) das Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) vor zwanzig Jahren in enger Zusammenarbeit mit den Universitäten gründete, war das Ziel klar: in Österreich einen Ort für die in den 1990er Jahren neu entwickelte theoretische und experimentelle Quantenoptik- und Quanteninformationsforschung auf höchstem Niveau zu schaffen. Das IQOQI sollte eines der weltweit führenden Forschungszentren werden und den Ruf Österreichs als "Quantenland" langfristig stärken.

Die Forschungsinstitute sind eng mit den Universitäten in Innsbruck und Wien verbunden und bieten den beteiligten Wissenschaftlern die Freiheit, neue und mutige Ideen und Ansätze umzusetzen. "Das ist extrem wichtig, denn manchmal braucht man einfach Zeit, um eine Idee zu verfolgen, ohne genau zu wissen, wohin die Reise geht", sagt Gerhard Kirchmair, Geschäftsführer von IQOQI Innsbruck.

Nobelpreis für Mitbegründer Anton Zeilinger

Die Gründungsväter des Instituts waren alle Pioniere der österreichischen Quantenphysik: Anton Zeilinger, der erste wissenschaftliche Leiter des IQOQI in Wien, veröffentlichte bereits 1997 in der Zeitschrift Nature eine Arbeit über die erste Teleportation eines Photons. Weitere Weltrekorde in der Quantenverschränkung folgten. Im Jahr 2022 wurde Zeilinger, der auch heute noch eine Forschungsgruppe am IQOQI leitet, für seine Arbeit zur Quantenverschränkung mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Das Gründungsteam der wissenschaftlichen Leiter des IQOQI in Innsbruck bestand aus Peter Zoller, der zusammen mit seinem Kollegen Ignacio Cirac 1995 erstmals die Realisierung eines Quantencomputers mit Ionen in Paul-Fallen vorschlug; Rainer Blatt, der die Grundbausteine eines solchen Computers im Labor konstruierte; Rudolf Grimm, der 2003 das weltweit erste Bose-Einstein-Kondensat aus Cäsiumatomen realisierte, das neue Einblicke in die Quantenmaterie ermöglichte, und Hans Briegel, der den messungsbasierten Quantencomputer entwickelte und mit der Idee für Quanten-Repeater den Grundstein für ein zukünftiges Quanteninternet legte.

Ein hochmoderner Think Tank

Seitdem wurde in Innsbruck und Wien Pionierarbeit auf höchstem Niveau geleistet. "Österreich spielt in der Quantenforschung weltweit eine führende Rolle", sagt Heinz Fassmann, Präsident der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. "Eine solche Spitzenposition in der internationalen Forschung kommt nicht von ungefähr. Ein hervorragendes Umfeld, in dem die besten Köpfe mit der besten Infrastruktur die besten Ideen entwickeln können, war und ist wichtig für diesen Weg zum Erfolg. Unsere Institute der Österreichischen Akademie der Wissenschaften sind ein solcher Ort. Sie haben wesentlich dazu beigetragen, dass Österreich zu einem der führenden Länder in der Quantenphysik geworden ist."

Dieses Leistungsniveau wird durch mehrere harte Fakten untermauert. Hannes Pichler, Rainer Blatt und Peter Zoller vom IQOQI Innsbruck sowie Anton Zeilinger und Markus Aspelmeyer vom IQOQI Wien stehen seit vielen Jahren auf der Liste der "Highly Cited Researchers". Sie repräsentiert die 1% der Forscher weltweit, deren Arbeit in den letzten Jahren am häufigsten zitiert wurde. Das IQOQI in Innsbruck und Wien wurde auch Teil des Exzellenzclusters Quantum Science Austria (quantA), der 2023 gegründet wurde und vom Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) finanziert wird. Darüber hinaus sind zehn der prestigeträchtigen und großzügig dotierten Grants des Europäischen Forschungsrats (ERC) an die IQOQI-Institute gegangen.

"Wir haben eine Atmosphäre geschaffen, in der unkonventionelles Denken ausdrücklich erlaubt ist und gefördert wird. Es ist wichtig, 'out-of-the-box' zu denken", betont Markus Aspelmeyer, Geschäftsführer von IQOQI Wien. "Ein Schlüsselfaktor für uns ist unsere Arbeit mit jungen Talenten. Wir unterstützen mehrere Nachwuchsgruppen, die bis zu fünf Jahre lang unabhängige Forschung an unserem Institut betreiben."

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Einstein und exotische Materie

In elf Forschungsgruppen an den beiden Standorten erforschen Wissenschaftler offene Fragen des Themas, von neuen Quantenzuständen der Materie bis hin zu den philosophischen Grundlagen von Quantenphänomenen, die oft unseren Vorstellungen vom Alltagsverständnis widersprechen.

Am Institut in Wien wurde kürzlich ein neuer Forschungsschwerpunkt zur Quantenphysik der Schwerkraft und der Raumzeit eingerichtet, um die Überschneidung zwischen Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie und der Rolle von Raum und Zeit in der Quantentheorie zu untersuchen. Bis heute ist unbekannt, ob die Gesetze der Quantenphysik auch für die Schwerkraft gelten.

In Innsbruck arbeiten Wissenschaftler daran, die Grenzen des Verständnisses in der Quantenoptik, der Quantensimulation und der Quanteninformation zu erweitern. Dies hat bereits zu bedeutenden Forschungsergebnissen geführt, wie der Entdeckung exotischer supersolider Materiezustände oder der Kontrolle sogenannter dunkler Vielteilchenzustände. "Die Synergie zwischen Theorie und direktem Experiment ist ein besonderes Markenzeichen unseres Forschungsansatzes. In unserem Institut fördern wir kollaborative Strukturen und den Austausch von Ideen zwischen Gruppen, was ein sehr lebendiges und effektives Forschungsumfeld schafft", sagt Francesca Ferlaino, die seit 2014 wissenschaftliche Direktorin des Instituts ist.

Von der Grundlagenforschung zur Unternehmensgründung

Die Quantenphysik wird heute bereits in vielen Technologien wie Lasern, Magnetresonanztomographie (MRT), GPS und Mobiltelefonen eingesetzt. Die Grundlagenforschung führt nun zunehmend zu neuen direkten kommerziellen Anwendungen. Aus der Quantenforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften sind bereits mehrere Start-ups und Spin-off-Unternehmen hervorgegangen, darunter ParityQC, Quantum Technology Laboratories (qtlabs), Quantum Industries (QI) und Alpine Quantum Technologies (AQT). ParityQC ist das erste Unternehmen der Welt, das Blaupausen und ein Betriebssystem für hochskalierbare Quantencomputer auf dem freien Markt anbietet. Qtlabs und QI konzentrieren sich auf die technische Umsetzung von Methoden zur Quantenverschlüsselung und Quantenkommunikation sowohl über Satelliten als auch über Glasfaserkabel. Und das Innsbrucker Start-up Alpine Quantum Technologies (AQT) entwickelt und baut Quantencomputer und Quanten-Hardware-Komponenten, die sie auch Unternehmen und öffentlichen Einrichtungen über eine Cloud-Lösung zur Verfügung stellen.

Heinz Fassmann kommentiert: "Die Akademie begrüßt die weitere Verwertung von Forschungsergebnissen. Wir helfen daher bei der Patentierung und unterstützen die Gründung von Spin-offs. Erfolgreiche Beispiele wie das Unternehmen ParityQC auf dem Gebiet der Quantenphysik zeigen auch, dass die Grenze zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung eine willkürliche ist. Die Ergebnisse der Grundlagenforschung führen zu innovativen Produkten und Technologien, auch wenn dies zu Beginn des Forschungsprozesses nicht geplant war."

"Es ist immer wieder atemberaubend zu sehen, wie völlig neue Technologien aus der 'Blue-Sky-Forschung' hervorgehen", sagt Caslav Brukner, wissenschaftlicher Direktor am IQOQI Wien, und betont, wie dies wiederum die weitere Forschung stimuliert. "Gleichzeitig ermöglichen uns diese Entwicklungen, bisher schwer fassbare Forschungsfragen zu beantworten." Laut Brukner sind es oft die grundlegendsten Fragen, die zu bahnbrechenden Ergebnissen führen können: "Unsere Forschung widmet sich den grundlegendsten Fragen der modernen Physik - und könnte eines Tages der Ausgangspunkt für die nächste Quantenrevolution sein."

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