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Quantenphänomene für das neue digitale Zeitalter

Das Peter Grünberg Institut (PGI) erforscht neue Phänomene kondensierter Materie, entwickelt neuartige Materialien und funktionelle Strukturen im Nano- und Quantenmaßstab und erarbeitet innovative experimentelle und theoretische Methoden. Das Hauptaugenmerk unserer Forschung liegt auf möglichen Anwendungen in der Informationstechnologie und verwandten Bereichen. Besonders im Fokus stehen dabei Quantenmaterialien, Quantencomputer und neuromorphes Rechnen.

Ein gutes halbes Jahrhundert Jülicher Kompetenz in der Festkörperphysik, der Physik dünner Schichten, von Oberflächen und Grenzflächen sowie in den Materialwissenschaften sind im PGI zusammen gebracht worden. Die Grundlagenforschung voranzubringen, um den Weg für neuartige technologische Konzepte in der Informationstechnologie zu ebnen – dieses Motto fasst das Werk von Peter Grünberg zusammen, der 2007 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde. Es ist auch das Leitprinzip des Peter Grünberg Instituts, das nach dem berühmten Wissenschaftler und ehemaligen Mitarbeiter benannt wurde.

Von 2015 bis 2019 sind die am Peter Grünberg Institut behandelten Forschungsthemen vorwiegend durch das Programm „Grundlagen für zukünftige Informationstechnologien“ der Helmholtz-Gemeinschaft (HGF) definiert worden, in der das Forschungszentrum Jülich Mitglied ist. Dieses Programm wurde in enger Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) durchgeführt. Es war in vier Themen gegliedert, die physikalische Zustandsvariablen mit Relevanz für die Informationstechnologie und für elektronische Phänomene behandelten: (1) Kontrolle ladungsbasierter Phänomene, (2) Kontrolle spinbasierter Phänomene, (3) Kontrolle konfigurationsbasierter Phänomene und (4) Kontrolle kollektiver Zustände.

HGF-ProgramAufbau des HGF-Programms “Natural, Artificial and Cognitive Information Processing” sowie teilnehmende HGF-Zentren.

Für den Zeitraum 2021 – 2027 wird unsere Forschung hauptsächlich im Rahmen des neuen HGF-Programms „Natural, Artificial and Cognitive Information Processing“ definiert. Unsere Partner in diesem Programm werden wieder das HZB und zusätzlich das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) sein. Das Programm verfolgt als übergeordnetes Ziel eine grundlegende Verbesserung energieeffizienter und leistungsstarker IT und ist in fünf Themenbereiche, so genannte „Topics“ unterteilt, die spezifische Ziele detailliert beschreiben. Das Peter Grünberg Institut ist an drei der Topics beteiligt, zusammen mit unseren internen und externen Partnern:

1. Quantenmaterialien:

TopologicalMatterTopologische Materialien besitzen faszinierende Eigenschaften und großes Potenzial für informationstechnologische Anwendungen.
Copyright: FZJ

Wir werden Quantenmaterialien erforschen, um neue Paradigmen zu erschließen, die in physikalischen Systemen entstehen – einschließlich Spin, Topologie, Konfigurationen und Korrelationen – als zukünftiges Mittel zur Speicherung und Verarbeitung von Informationen. 

Beitragende PGI-Institutsbereiche: PGI-1, PGI-3, PGI-6

2. Quantum Computing:

QuantencomputingAusschnitt aus einem zweidimensionalen integrierten Schaltkreis-Bauteil für fehlertolerantes Quantencomputing. Die Qubits sind in der Darstellung grün eingefärbt..

Wir planen, Bauteile zur Quanteninformationsverarbeitung zu skalieren, geeignete Elektronik zur Kontrolle von Qubits zu entwickeln und einen Prototypen eines Quantencomputers zu bauen.

Beitragende PGI-Institutsbereiche: PGI-2, PGI-8, PGI-9, PGI-11

3. Neuromorphes Rechnen:

NeuromorphicSchematic sketch of memristive synapses based on a filamentary switching mechanism (left) and an area-dependent interface-type mechanism (right).
Copyright: FZJ

Wir werden uns mit allen Ebenen des neuromorphen Ansatzes für das Rechnen befassen, von Materialien über Schaltkreis-Design bis Systemintegration.

Beitragende PGI-Institutsbereiche: PGI-7, PGI-10, sowie zwei weitere Institutsbereiche in Planung.

Weitere Beteiligungen an HGF-Programmen

Das PGI-4 wird gemeinsam mit dem Jülich Centre for Neutron Science zum POF-Programm " From Matter to Materials and Life" des Forschungsbereichs "Materie" beitragen.  Im Topic "Materials –  Quantum, Complex and Functional Materials" werden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des PGI-4 mit Hilfe ihrer Großanlagen herausfordernde Probleme in der Materialforschung angehen und an einem besseren Verständnis von Quantenmaterialien sowie nanomagnetischen und korrelierten Elektronensystemen arbeiten.

Das PGI-5 wird gemeinsam mit dem Ernst Ruska-Centrum für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen am Programm "Materials Information Discovery" teilnehmen. Dabei ist die Entwicklung einer einheitlichen digitalen Plattform zur Material-Charakterisierung geplant, die anhand struktureller, morphologischer und spektroskopischer Daten quantifizierbare Informationen über Materialien und Prozesse liefern wird. Diese dienen als Grundlage zur Erstellung digitaler Zwillinge der untersuchten Materialien, welche den ganze Lebenszyklus umfassen. Zu den geplanten Aktivitäten gehört auch die Einrichtung des Joint Labs “Model Driven Materials Characterization” (MDMC) gemeinsam mit den Helmholtz-Zentren in Karlsruhe und Geesthacht.

Das PGI-6 wird am POF-Programm "Matter and Technologies" des Forschungsbereichs "Matter" teilnehmen. Im Topic "Accelerator Research and Development, ARD" werden PGI-6-Wissenschaftler an der Laser-Kielfeld-Beschleunigung von Elektronen arbeiten, um die Strahlparameter heller Sekundärstrahlungsquellen von Hochfeld-THz über weiche Röntgenstrahlen bis hin zu Gammastrahlen zu verbessern. Ein weiteres herausforderndes Ziel ist die erstmalige Erzeugung polarisierter Teilchenstrahlen mit Hochleistungslasern.

Projektbeispiele aus unserer aktuellen Forschung

OpenSuperQ – a European Quantum Computer

Neuro-inspired artificial intelligence technologies






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