Wie präzise können wir die Welt beobachten? Wie genau können wir Klimawandel, schwarze Löcher oder den Fluss der Zeit beobachten? Und wie können wir diese Grenze des Messbaren verschieben? Im Februar 2016 wurde erstmals die Entdeckung von Gravitationswellen zweier verschmelzender Schwarzer Löcher bekanntgegeben: Das Ergebnis eines herausragenden Präzisionsexperimentes, das auf modernster Quantenmetrologie beruht.

Die Mission des Clusters Quantum-Frontiers ist die Zusammenführung von Quanten- und Nano-Metrologie, um eine qualitativ neue Stufe bisher unerreichter Präzision zu erreichen, und damit unsere Erkenntnishorizonte im Größten und im Kleinsten, von der Gravitationswellenastronomie bis hin zur Manipulation von Licht und Materie an der Quantengrenze, weiter zu verschieben. Dies wird mit der Realisierung vollständiger Kontrolle sowohl der inneren als auch der äußeren Freiheitsgrade von Quantenobjekten in Kombination mit enormen Fortschritten in der Nanotechnologie die Grundlage für vielfältige, gänzlich neue Anwendungsplattformen schaffen und wissenschaftliche Experimente mit bisher unvorstellbarer Präzision stimulieren.

QuantumFrontiers verfügt durch die Kooperation der Leibniz Universität Hannover, der Technischen Universität Braunschweig, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt und der Partnerinstitutionen über eine einzigartige, passgenaue Infrastruktur und ein ausgezeichnetes wissenschaftliches Netzwerk von Forschenden aus der Physik, den Ingenieurs- und den Naturwissenschaften. Es ist so ein einmaliges strategisch-strukturelles Quanten-Nanometrologie-Dreieck entstanden, das die Forschungslandschaft dieses aufkeimenden, an der Schwelle zur technischen Verwertbarkeit stehenden Feldes auch im internationalen Kontext einzigartig fördern wird.

Der von QuantumFrontiers verfolgte multiskalige und multidisziplinäre wissenschaftliche Ansatz führt zu Ergebnissen, die nahezu alle physikalischen Disziplinen beeinflussen werden, und die für Kilometer große Gravitationswellendetektoren genauso relevant sind wie für nanoskopische Lichtemitter und neuartige Mikroskopie, die Überwachung von Global-Change Prozessen oder präzise Navigation. Die in QuantumFrontiers entwickelten neuen Messkonzepte und Sensortopologien basieren auf photonischen Systemen, dedizierten Halbleitersystemen, Nanostrukturen, quanten-manipulierten atomaren und molekularen Ensembles, und sogar makroskopischen Körpern. Neben der Gravitationswellenastronomie wird der Cluster weitere Forschungsfelder vorantreiben wie z.B.: optische Atomuhren für weltweit genaueste Zeitmessung und zukünftige Referenzsysteme, um mehrere Größenordnungen präzisere Atominterferometrie, neue Quanten-Standards, Sub-Wellenlängen-Nanophotonik mit voller Zustandskontrolle des Lichts, hybride CMOS-Integration für Nano-LED-Plattformen im sub-100 nm Bereich, laserinterferometrische Abstandsmessung im Pikometer-Bereich für Satelliten, chipbasierte kompakte Atomoptik und Nanophotonik oder relativistische Geodäsie mit Sub-Zentimeter-Höhenauflösung.

Beteiligte Institutionen:

• Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)
• Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)
• Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut)
• Universität Bremen, Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM)