Quanten-Technologie

 

Hintergrund

Ein Großteil unserer heutigen Technologie, von der Halbleiterelektronik bis zum Laser, ist aus der sogenannten "ersten Quantenrevolution" hervorgegangen, d.h. dem Verständnis der Eigenschaften der Materie auf der Grundlage der Gesetze der Quantenmechanik. Vor kurzem wurden schwer fassbare Konzepte der Quantenmechanik wie Überlagerung und Verschränkung, die lange Zeit als rätselhafte Kuriositäten der Quantenmechanik ohne praktischen Nutzen galten, zu den Grundpfeilern mehrerer technologischer Anwendungen, die die Idee einer "zweiten Quantenrevolution" förderten.

Diese Anwendungen reichen von der Quantensensorik über Quantensimulation und Quantenkommunikation bis hin zum Quantencomputer. Dieser stellt einen Paradigmenwechsel in der Datenverarbeitung dar, der grundlegender als die Entwicklung vom Abakus zu den heutigen Supercomputern ist. Er verspricht beispiellose Fähigkeiten für bestimmte Rechenaufgaben. Insgesamt bilden diese unterschiedlichen Anwendungen das Forschungsfeld der Quantentechnologie.

Wir erleben jetzt eine spannende Phase, in der sich die Quantentechnologie vom rein akademischen Forschungsfeld zu einem relevanten Thema für Wirtschaft und Gesellschaft entwickelt. Ein Großteil dieser Entwicklung wurde durch wesentliche Investitionen privater Unternehmen (z.B. Google, Microsoft, IBM, INTEL,...) sowie nationaler und internationaler Geldgeber vorangetrieben (siehe z.B. das European FET Flagship Program on Quantum Technologies). Die Folge ist, dass der Bedarf an spezialisierten, in Quantentechnologie erfahrene Mitarbeitern steigt.

Wenn es jetzt darum geht, Quanteneffekte nicht mehr nur indirekt zu nutzen, sondern sie gezielt zu kontrollieren, dann ist es das Ziel der Bundesregierung, dass deutsche Institute und Unternehmen auch diese Entwicklung gestalten und führend umsetzen. Solche „Quantentechnologien der zweiten Generation“ können z. B. sehr viel genauere Messgeräte ermöglichen, die Sicherheit bei der Datenkommunikation stark verbessern oder deutlich leistungsfähigere Satelliten und Computer hervorbringen. Die Möglichkeiten dieser Technologien sind so groß, dass sie erhebliche
Auswirkungen auf die Wirtschaft und Gesellschaft haben können und auch sicherheitspolitisch von hoher Relevanz sind. Der Wettlauf um die industrielle Realisierung solcher Technologien hat international bereits begonnen.

Quantentechnologien – von den Grundlagen zum Markt, BMBF, Germany.

Ein neue Master-Vertiefung

Um diesem Bedürfnis gerecht zu werden, bietet die Fachgruppe Physik der RWTH Aachen ab dem Wintersemester 2019/20 eine neue Vertiefungsrichtung zur Quantentechnologie im Masterstudiengang Physik an. Diese wurde in Zusammenarbeit mit der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik entwickelt und umfasst theoretische und experimentelle Kurse sowie einen neuen, eigenen Laborkurs, in dem die Theorie in die Praxis umgesetzt wird. Den Studierenden werden außerdem interesant Forschungsprojekte teilweise mit industrieller Anbindung angeboten. Eine kurze Einführung in das Thema und ein Studienverlaufsplan sind in der Präsentation - Quantum Technology zu finden.

Der Studiengang ist auch eine der strategischen Maßnahmen des Exzellenzclusters ML4Q im Bereich der Lehre und profitiert stark von der engen Zusammenarbeit mit Experten des Forschungszentrum Jülich sowie Universitäten Köln und Bonn.

 

Lehrplan

Das zweijährige (viersemestrige) Masterstudium in Quantentechnologie wird gemeinsam vom Fachgruppe Physik und der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik organisiert. Das Lehrangebot im Rahmen des Masterstudiengang Physik ist nachfolgend aufgeführt, wobei die fettgedruckten Kursen obligatorisch sind. Das erste Jahr des Studiums besteht aus Vorlesungen, Seminaren und Laborveranstaltungen. Das zweite Jahr ist einem Forschungsprojekt gewidmet.

Fachgruppe Physik
Winter semester (Total 30 ECTS)

Condensed matter physics I or Quantum theory of condensed matter I or Theoretical solid state physics - 10 ECTS

Hardware platform for quantum technology - 5 ECTS
Elective courses - 15 ECTS
Summer semester (Total 30 ECTS)
Quantum Information - 10 ECTS
Lab course quantum technology - 5 ECTS
Elective courses - 15 ECTS
Winter semester (Total 30 ECTS)
Master's seminar and practical - 30 ECTS
Summer semester (Total 30 ECTS)
Master’s thesis and colloquium - 30 ECTS

 

Eine Liste der Wahlpflichtfächer der Fachgruppe Physik (siehe "Elective courses" → "Specialization courses" → "Nanoelectronics" oder "Experimental Condensed Matter Physics" oder "Condensed Matter Theory") und der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik (siehe "Schwerpunkte" → "Micro- and Nanoelectronics (MINA)" → "Elective MINA" oder siehe "Wahlfach (General)") soll den Studierenden helfen, die Kurse des ersten Jahres auszuwählen, die für ihr Forschungsgebiet im zweiten Jahr relevant sind. Im Folgenden finden Sie die Liste der empfohlenen QT-relevanten Wahlkurse, die im Sommersemester 2020 vom Fachbereich Physik angeboten werden.

Wahlpflichtkurse - Sommersemester 2021 (Alle sind 5 ECTS, sofern nicht anders angegeben)
Quantum Optics
Quantum Theory derived from Information Principles

Quantum Computing (Chalmers University)

Advanced Theory of Topological Insulators
Physics of Nanostructures (Students Seminar)
Nano-optics I

Weitere Informationen zu den (theoretischen und experimentellen) Forschungsgruppen an der RWTH Aachen und dem Forschungszentrum Jülich finden Sie auf der Forschungsseite.

Alle weiteren relevanten Informationen zum Bewerbungsverfahren für deutsche und internationale Studierende, zu den Zugangsvoraussetzungen und zur Prüfungsordnung finden Sie unter den jeweiligen Links.

Da das Studium der QT stark auf den Kenntnissen der Quantenmechanik aufbaut, erwarten wir, dass Ihr Verständnis des Themas dem Kurs entspricht, der im Rahmen des Grundstudiums am Fachgruppe Physik angeboten wird. So beinhaltete beispielsweise die im Sommersemester 2019 unterrichtete Quantenmechanik - Skript Themen wie: Schrödinger (zeitunabhängige) Gleichung, WKB-Approximation, Dirac-Notation, Operatoren, Observables und Messung, Harmonischer Oszillator, Symmetrien, Spin, Wasserstoffatom, Näherungsverfahren und identische Partikel.

Wenn Sie mit den genannten Themen nicht vertraut sind, müssen Sie möglicherweise das Master's College in Betracht ziehen, das in Brückenkursen die fehlenden Kenntnisse vermittelt.

Beachten Sie, dass die Unterrichtssprache Englisch ist.

 

Referenzen

Having a Quantum Technology (QT) track at RWTH made perfect sense considering the current advancement in this field.

The winter semester of 2019 started with a broad overview of different topics. From the lectures on Condensed Matter Physics to the perfectly organized Hardware Platforms for Quantum Technology, I gained a solid background in the field. Quantum Optics lecture stole the show for the elective courses. I also attended lectures that were not specific to QT, however, they were still interesting.

As was promised, more activities were yet to come starting with the two weeks Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q)-cluster course. Due to the corona pandemic situation, we expected some technical hiccups with the sudden online learning format. Nevertheless, learning about five research areas was indeed insightful.

The summer semester 2020 introduced new QT-specific courses like Quantum Measurement and Quantum Error Correction (QEC), alongside the already established ones. The QEC was a distance learning course organized in collaboration with TU Delft, the Netherlands. Thanks to the video-on-demand format, I could attend it from the comfort of my home. The Quantum Information course helped me understand the importance of the physicality of the information and the benefits of the quantum computer. Unfortunately, the Lab course Quantum Technology was held online. I could not benefit as much as I would have liked to do. The poorly organized data made me lose too much time on the otherwise engaging experiments.

With the introduction of the courses like the Modeling of Superconducting Devices (TU Delft) and Quantum Computing (Chalmers University) courses in the winter semester of 2020, I am impressed by the level the RWTH is aiming. Along with the collaborations (Köln, Bonn, TU-Delft, Chalmers, etc.) and in-house research facilities like the Research Center at Jülich, I hope to benefit from every chance RWTH Aachen is offering me. Hopefully, someday I can contribute back with my research.

Roudy Hanna, RWTH Aachen University.

When I joined the RWTH Aachen in 2016, the Quantum Technology (QT) Master study track was not offered as one of the main study tracks.

I went for Quantum Field theories and Gauge theories that were both challenging and exciting. I took all the courses that one could take in the quantum direction, e.g., quantum optics, quantum information, and computational physics, to name a few.

Now, since the QT study track is offered as the main track, I believe this would benefit students who wish to concentrate only on quantum.

For all others, who would like to have more interdisciplinary courses and want to combine courses offered in the QT track with other tracks, I offer myself as an example that it is possible.
After my Master's, I went ahead to pursue a Ph.D. in quantum computing at Jülich.

I wish the next generation, who have the opportunity to attend the well-organized QT track, all the very best. I would like to remind them of the words of Dr. Szent-Gyorgyi that scientific discovery is not so much in seeing what nobody has seen but seeing what every one has seen yet thinking what nobody has thought.

Manpreet Singh Jattana, RWTH Aachen University.

Kontakt

Name

Anand Sharma

Wissenschaftlicher Mitarbeiter und Koordinator

Telefon

work
+49 241 80 28516

E-Mail

E-Mail
 

FAQ

Was ist Quantentechnologie?

Die Quantentechnologie ist ein neuartiges Gebiet der Physik und Technik, das die Quantenverschränkung, Quanten-Superposition und das Quanten-Tunneling für praktische Anwendungen nutzt, wie z.B.

  • Quantenkommunikation (oder Kryptographie),
  • Quantencomputer,
  • Quantensensoren (oder Messtechnik), und
  • Quantensimulation.

Für weitere Informationen und um zu entdecken, zu verstehen und sich zu engagieren, besuchen Sie das Quantum Technology Flagship.  

Welches Fachgebiet der Quantentechnologie steht im Fokus des Studiums an der RWTH Aachen?

Unter den vier Schwerpunkten, der RWTH Aachen liegt der Fokus auf Quantum-Computing.

Was ist die Voraussetzung für diesen Masterstudiengang?

Sie sollten Ihren Bachelor of Science (B.Sc.) in Physik abgeschlossen haben. Der Masterstudiengang Quantentechnologie stark auf den Kenntnissen der Quantenmechanik aufbaut. Es wird erwartet, dass Ihr Verständnis des Themas dem Kurs entspricht, der im Rahmen des Grundstudiums am Fachgruppe Physik angeboten wird. So beinhaltete beispielsweise die im Sommersemester 2019 unterrichtete Quantenmechanik - Skript Themen wie: Schrödinger (zeitunabhängige) Gleichung, WKB-Approximation, Dirac-Notation, Operatoren, Observables und Messung, Harmonischer Oszillator, Symmetrien, Spin, Wasserstoffatom, Näherungsverfahren und identische Partikel.

Wenn Sie mit den genannten Themen nicht vertraut sind, müssen Sie möglicherweise das Master's College in Betracht ziehen, das in Brückenkursen die fehlenden Kenntnisse vermittelt.

Für die nationalen Technik-Studenten hat das Fachbereich Physik einen Kurs "Quantum mechanics for electrical engineers" entwickelt. 

Ich habe einen Bachelorabschluss in Elektro- oder Computertechnik. Bin ich für die Master-Vertiefungsrichtung Quantentechnologie antragsberechtigt?

Sie können sich für den MINA-Vertiefungsrichtung an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik bewerben und Kurse mit Quanten-Technologie-Bezug wählen.

Muss ich die Master-Vertiefungsrichtung Quantentechnologie während des Bewerbungsverfahrens für den Masterstudiengang Physik am Fachbereich Physik wählen?

Nein, die Master-Vertiefungsrichtung Quantentechnologie kann nach Ihrer Zulassung auf Basis der von Ihnen unternommenen Kurse gewählt werden und muss nicht während des Bewerbungsverfahrens gewählt werden.

Ist der Masterstudiengang experimentell oder theorieorientiert?

In diesem Studiengang kann der Student zwischen experimentell oder theoretisch als Interessengebiet und Spezialisierung wählen.

Wie viele Kreditpunkte sind für die Pflicht- und Wahlpflichtfach erforderlich?

Für den Masterstudiengang sind insgesamt 30 ECTS jeweils sowohl für Pflicht- als auch für Wahlpflichtfächer obligatorisch.

Welche Wahlpflichtfächer gibt es für diesen Studiengang, die im Forschungsprojekt helfen werden?

Eine Liste der Wahlpflichtfächer der  Fachgruppe Physik (siehe "Elective courses" → "Specialization courses" → "Nanoelectronics" oder "Experimental Condensed Matter Physics" oder "Condensed Matter Theory") und der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik (siehe "Schwerpunkte" → "Micro- and Nanoelectronics (MINA)" → "Elective MINA" oder siehe "Wahlfach (General)") soll helfen, die Kurse des ersten Jahres auszuwählen, die für ihr Forschungsgebiet im zweiten Jahr relevant sind.

Welche sind die theoretischen und experimentellen Arbeitsgruppen an der RWTH Aachen?

Informationen zu den theoretischen und experimentellen Forschungsgruppen an der RWTH Aachen und dem Forschungszentrum Jülich finden Sie auf der  Forschungsseite.

Welche Stellenangebote (Forschung oder Industrie) gibt es nach dem Abschluss des Master of Science in Physik mit Schwerpunkt Quantentechnologie?

Für die verschiedenen Stellenangebote siehe Quantum Technology Flagship.

Für weitere Informationen, an wen kann ich mich wenden?

Für weitere Informationen zum Masterstudiengang wenden Sie sich bitte an Dr. Anand Sharma.

 

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