Der Wissenschaftliche Direktor des HZDR, Prof. Sebastian M. Schmidt, betont die Expertise des HZDR auf dem Gebiet der Quantentechnologien: „Das ist ein außerordentlicher Erfolg für das HZDR und zeigt einmal mehr, dass unsere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler immer auch mögliche Anwendungen ihrer Forschungen im Blick haben. Mit diesen nun geförderten Projekten kann das HZDR dazu beitragen, ein Netzwerk zur nachhaltigen Verankerung von Expertise in der Entwicklung und Anwendung von Quantentechnologien über alle Forschungsbereiche hinweg zu schaffen. Damit sehen wir uns auch als wichtigen Akteur in der Hightech Agenda Deutschland des Bundes.“
Die drei ausgewählten Projekte zielen auf den Einsatz von Quantentechnologien für reale Anwendungen in den Bereichen Erde und Umwelt, Energie und Gesundheit. Alle Projekte haben eine Laufzeit von drei Jahren und starten am 1. Januar 2026.
Die Projekte im Einzelnen:
QuBiposy – Quantum Biopsy for Cancer Visualization on Macro and Micro Scales
Dr. Georgy Astakhov, Prof. Larysa Baraban, Prof. Anna Dubrovska, 1,5 Millionen Euro, Koordinator: HZDR
Mit herkömmlichen Bildgebungs- und Biopsieverfahren gelingt es in der Krebsdiagnostik bisher nur unzureichend, seltene Tumorzellen und Mikrometastasen zu erkennen. QuBiposy hat das Ziel, auch in komplexen Gewebeumgebungen diese Diagnostik zu verbessern. Dazu integriert QuBiopsy drei komplementäre Quanten-Bildgebungsmethoden. Die erste setzt auf Stickstoff-Fehlstellen in Diamant, um Magnetfelder auf mikroskopischer Ebene sichtbar zu machen. Sie bietet dabei eine sehr hohe räumliche Auflösung. Die zweite Methode verwendet Dampfzellen-Magnetometrie. Damit lassen sich selbst sehr schwache magnetische Signale in größeren Probenbereichen äußerst empfindlich messen. Die dritte Methode nutzt verschränkte Photonen, um Primärtumoren und Mikrometastasen mit hohem Kontrast und hoher Auflösung darzustellen – sowohl mit als auch ohne fluoreszierende Marker. Die Bilddaten aus der Quantenmagnetometrie und der Photonenbildgebung werden zusammengeführt, um eine umfassende, multimodale Diagnoseplattform zu schaffen. Damit sollen die Nachweisgrenzen aktueller Techniken für die Gewebe- und Flüssigbiopsie übertroffen werden. Zudem wird ein von der Quantentheorie inspiriertes stochastisches Prozessmodell entwickelt. Durch die Verknüpfung von Quantenphysik und Biomedizin soll QuBiopsy die Krebsfrüherkennung sowohl für die Erstdiagnose als auch für die Erkennung von Metastasen und Rezidiven ermöglichen und bietet damit ein großes Potential für die personalisierte Krebsdiagnostik.
qFLOW – Quantum-Accelerated Solutions for Fluid Dynamics and Environmental Systems
Dr. Werner Dobrautz, 1,3 Millionen Euro / Koordinator: HZDR
Quantencomputing soll Fortschritte in der Simulation komplexer Strömungsprozesse ermöglichen und so Herausforderungen in den Bereichen Klimaanpassung, saubere Energie und Wassersicherheit bewältigen. Solche Simulationen sind zentral für Hydrologie, Umweltwissenschaften und Energietechnologien, übersteigen aber in vielen Anwendungsszenarien die Kapazitäten heutiger Hochleistungsrechner. Bei qFLOW dreht sich alles um beschleunigte Lösungen für Fluiddynamik und Umweltsysteme. Das Projekt leistet Pionierarbeit bei der Entwicklung quantenunterstützter Lösungen für gekoppelte Transportprozesse in Flüssigkeiten. Der Fokus liegt dabei zum einen auf Grundwasserströmungen und reservoirbasierten hydrologischen Modellen und zum anderen auf Mehrphasenströmungen, einschließlich Blasenströmungen und Blasen-Oszillationen an Grenzflächen. Die in qFLOW entwickelte Open-Source-Quantensoftware-Suite wird eine breite Nutzung ermöglichen und als Blaupause für die Integration quantenbasierter Methoden in die Helmholtz-Forschungsbereiche Erde und Umwelt sowie Energie dienen. qFLOW legt damit das Fundament für quantenunterstützte digitale Zwillinge komplexer Fluiddynamik und Umweltsysteme.
QT-Batt – Quantum Technologies for Batteries
Dr. Werner Dobrautz, 350.000 Euro / Koordinator: Forschungszentrum Jülich
QT-Batt will Quantenalgorithmen entwickeln, die auf batteriebezogene Simulationen zugeschnitten sind und sich auf Energiematerialien und Ladungstransferprozesse konzentrieren. Zudem werden gleichzeitig Quanten-Sensorplattformen weiterentwickelt, die in Batteriearchitekturen für Echtzeitdiagnosen eingebettet werden können. Dieser duale Ansatz wird die Vorhersagegenauigkeit von Materialmodellen verbessern und hochauflösende Einblicke in Degradations- und Fehlermechanismen liefern. Weltweit steigt die Nachfrage nach leistungsstarken Batterien, die sicherer sind, eine längere Lebensdauer haben und schnelle Ladevorgänge sowie hohe Leistungsbedingungen ermöglichen. Herkömmliche Berechnungsmethoden und Sensortechnologien stoßen bei der Modellierung komplexer elektrochemischer Systeme und der Erkennung kleinster Schwankungen in der Batterieleistung an ihre Grenzen. Quantencomputing hat das Potential, molekulare und quantenmechanische Wechselwirkungen mit exponentieller Geschwindigkeit zu simulieren. Damit bietet es einen transformativen und skalenübergreifenden Ansatz für die Entwicklung von Batterien der nächsten Generation, einschließlich Festelektrolyten und fortschrittlichen Elektrodengrenzflächen. Gleichzeitig ermöglicht die Quantensensorik die hochsensible Erkennung lokaler Temperaturänderungen und elektromagnetischer Felder in Batterien während des Betriebs und eröffnet damit Wege zur Verbesserung der Reversibilität von Redox-Prozessen in Batterien.
Kontakt
Dr. Werner Dobrautz I Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) am HZDR
Tel.: +49 3581 37523 59 I E-Mail: w.dobrautz@hzdr.de
Dr. Georgy Astakhov I Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR
Tel.: +49 351 260 3894 I E-Mail: g.astakhov@hzdr.de
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Weiterführende Links
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Foto: Blaurock
