Prof. Dr. Roman Schnabel

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Prof. Dr. Roman Schnabel

Universität Hamburg
Faculty of Mathematics, Informatics and Natural Sciences; Institut für Laserphysik

Prof. Dr. Roman Schnabel

Universität Hamburg
Faculty of Mathematics, Informatics and Natural Sciences; Institut für Laserphysik

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Hochpräzise Messtechnik ermöglicht industrielle Prozessverbesserungen, gewährleistet verlässliche Kalibrierungen und erweist sich immer wieder als Wegbereiter großer innovativer wissenschaftlicher Entdeckungen: Beispielsweise lässt sich die direkte Detektion von Gravitationswellen im Jahr 2015 auf neuestes Messequipment zurückführen, an dessen erfolgreichen Entwicklung auch Professor Roman Schnabel von der Universität Hamburg maßgeblich beteiligt war. Als einer der weltweit führenden Experten für Laserlicht mit gequetschter Quantenunschärfe sowie als Leiter der Arbeitsgruppe ‚Nichtlineare Quantenoptik‘ des Instituts für Laserphysik erforscht Professor Schnabel nicht nur gequetschtes Licht und Gravitationswellendetektion, sondern auch die Quantenphysik massiver Objekte. Auch Quantenkommunikation und verschränkte Zustände des Lichts gehören zu seinem Forschungsfeld. Neben Anwendungen in der Grundlagenforschung kommen seine Entwicklungen einem breiten Branchenspektrum wie etwa der Metrologie, Mikroelektronik, Glasfasertechnologie, digitaler Kommunikation oder auch der Regelungstechnik zugute. Hierbei weiß Professor Schnabel die enge Zusammenarbeit mit seinen Kooperationspartner:innen und seinem internationalen Expertennetzwerk sehr zu schätzen.

Neue Generation von Präzisionsmessgeräten dank gequetschtem Laserlicht

Die Expertise zum Thema ‚gequetschtes Laserlicht‘, die Professor Schnabel an der Universität Hamburg aufgebaut hat, ist weltweit einzigartig. Gequetschtes Licht besteht wie jedes andere Laserlicht aus Photonen. Bisheriges Laserlicht hat jedoch eine minimale Unschärfe bzgl. der Zeitpunkte, wann Photonen vom Messgerät detektiert werden. Dank des Knowhows von Professor Schnabel ist seit kurzem Laserlicht verfügbar, bei dem die zeitliche Photonenstatistik glatter (gequetscht) ist. Daraus resultiert ein geringeres Rauschen in der Lasermesstechnik. Eine Lichtquelle aus gequetschtem Laserlicht wirkt sich somit unmittelbar positiv auf Laserinterferometer und andere optische Präzisionsmessgeräte aus, die für besonders sensible und genaue Messungen auf eine möglichst große auswertbare Photonenausbeute angewiesen sind, wie z.B. Laser-Dopplervibrometer. Ergänzend erforscht und entwickelt Professor Schnabel innovative Kalibrierungstechniken für die Quanteneffizienz von Photodetektoren, rauscharme Photodetektoren für Laserlicht im Milliwattbereich mit Quanteneffizienzen von bis zu 99%, dünne Siliziumschichten für zukünftige Laserspiegel mit geringerer thermischer Oberflächenvibration, sowie neue Konzepte der Quantenkryptographie.

Verschränkung als eine Schlüsseltechnologie der zweiten Quantenrevolution

Quantenkommunikation und verschränkte Lichtzustände – ein weiterer Forschungsschwerpunkt von Professor Schnabel – gewinnen zunehmend an Bedeutung bei der Entwicklung schneller Kommunikationsnetzwerke, die zugleich Daten abhörsicher austauschen. Verschränkte Lichtzustände liefern dabei die zufälligen Quantenschlüssel für die Quantenkryptographie. Professor Schnabel konnte kürzlich die derzeit fortschrittlichste Quantenschlüsselverteilung präsentieren. Dieser manipulationssichere Schlüssel bestand aus über 108 Nullen und Einsen und bot Sicherheiten gegen Lauschangriffe auf den Übertragungskanal sowie zusätzlich auf Geräte am Empfängerstandort. Ein weiterer Vorteil seines Konzepts liegt darin, dass es mit vielen konventionellen Telekommunikationskomponenten kompatibel ist. Darüber hinaus spielt Verschränkung auch bei der Entwicklung von Quantencomputern eine wesentliche Rolle. Gemeinsam mit seinen Partner:innen forscht Professor Schnabel derzeit intensiv daran, diese bereits an der Schwelle stehende Technik in die kommerzielle Umsetzung zu bringen und dadurch das enorme Potenzial der zweiten Quantenrevolution für die Gesellschaft nutzbar zu machen.

Pionier und Partner bei der Umsetzung der Quantentechnologie

Professor Schnabel leistet seit vielen Jahren wichtige Pionierarbeit bei der Erforschung und Entwicklung von Quantenkryptographie sowie Laserquellen für gequetschtes Licht und optischen Detektoren. Mit seinem interdisziplinären Team ist er unentwegt dabei, neue Herausforderungen zu erforschen und auch an großen Fragen der Physik, wie sich zum Beispiel die Quantenmechanik und die Gravitationskraft zu einer Theorie zusammenfassen lassen, zu arbeiten. Seine wissenschaftliche Leistung und sein Engagement wurden bereits mehrfach international prämiert. An seiner Arbeit schätzt Professor Schnabel besonders mit Partner:innen und Unternehmer:innen unterschiedlichster Branchen zusammenarbeiten zu können, um  theoretische und wissenschaftliche Forschungsergebnisse in die praktische Umsetzung zu bringen.

Aktuelle
Forschungsprojekte /
Aktivitäten

‚Effiziente Mehrstufen-Destillation von Quantenzuständen gegen Gaußsche Dekohärenz ohne Erfordernis von Quantenspeichern‘

Gemeinsam mit Kooperationspartnern der Palacký University aus der Tschechischen Republik möchte Professor Schnabel von der Universität Hamburg experimentell darlegen, wie verschränkte Lichtzustände für die Quantenkommunikation verbessert werden können. Dabei geht es insbesondere um die Reduktion gaußscher Dekohärenzeffekte, wie zum Beispiel optische Verluste, die derzeit bei der Überbrückung großer Distanzen auftreten und zu drastischen Reduktionen der Datengeschwindigkeit führen. Die Kooperationspartner verfolgen in diesem Projekt den Ansatz einer Mehrstufen-Destillation an Daten, die zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommen wurden. Mithilfe der Husimi-Q-Funktion lassen sich Zustände zuverlässig messen und eine Datennachbereitung vornehmen. Somit beinhaltet das Ergebnis alle Quantenzustände und stellt eine robuste Methode zur Verbesserung der Quantenschlüsselverteilung dar.

‚MassQ‘ – Annäherung von Quantenmechanik und Gravitation zu einer Theorie?

In dem ERC-Projekt ‚MassQ‘ verfolgt Professor Schnabel das Ziel, erstmals experimentell die Bewegung zweier schwerer Spiegel quantenmechanisch zu verschränken. Gleichzeitig werden Spiegel, die an feinen Fasern als Pendel aufgehängt werden, so schwer gewählt, dass prinzipiell auch deren Gravitationskräfte messbar sind. Professor Schnabel hofft durch dieses Experiment, erstmals wichtige Beobachtungen für mögliche Schnittstellen zwischen Quantenmechanik und Gravitationskraft nachweisen zu können. Neben der hochpräzisen Anordnung der einzelnen Komponenten besteht eine der Herausforderungen darin, dass das Experiment durch keine Beeinflussungen durch die Umgebung verfälscht werden darf. Dann, so hofft Professor Schnabel, ist es möglich, anhand der Lokalität und Geschwindigkeiten der beiden Spiegel das sogenannte Einstein-Podolsky-Rosen Paradoxon zu demonstrieren.

‚Neuartige Spiegelbeschichtungen für zukünftige Gravitationswellendetektoren‘

Die von Albert Einstein vor knapp einhundert Jahren theoretisch prognostizierten Gravitationswellen konnten 2015 erstmals mithilfe der Detektoren des Advanced LIGO Projekts praktisch nachgewiesen werden. Im Rahmen dieses Vorhabens forscht Professor Schnabel an verbesserten Gravitationsdetektoren mit erhöhten Sensitivitäten, um der Gravitationswellenastronomie weitere Entdeckungen wie die Detektion verschmelzender Neutronensterne oder rotierender Pulsare zu entlocken. Gravitationswellen lösen bei einer Detektion in Interferometern Abstandsänderungen von weniger als 10-19 m aus. Heutige Messungen werden jedoch durch thermische Vibrationen der Spiegel und ihrer Beschichtungen (Braun´sches Rauschen) begrenzt. Daher steht eine Entwicklung von innovativen Materialien, hochreflektierende Vielschichtsysteme, mit niedrigem thermischen Rauschen im Fokus dieses Projekts.

Exzellenzcluster ‘CUI: Advanced Imaging of Matter’ – Emergenz von Funktionalitäten

In diesem Exzellenzcluster der Universität Hamburg forschen knapp 160 Wissenschaftler:innen aus den Fachbereichen Physik, Chemie und Strukturbiologie gemeinsam daran, emergentes Verhalten der kleinsten Bausteine der Natur (Atome, Moleküle etc.) zu verstehen und dynamisch neue Funktionalitäten zu schaffen. Möglich macht dies die weltweit einzigartige interdisziplinäre wissenschaftliche Expertise an der Universität Hamburg. Heutzutage ist es bereits möglich, Atome in Aktion zu beobachten. Die Expertinnen und Experten forschen nun gemeinsam daran, die Funktion von zum Beispiel Proteinen zu verstehen und durch Licht gezielt zu beeinflussen bzw. zu steuern. Dafür muss Materie in Echtzeit auf kleinsten Skalen abgebildet werden. Professor Schnabel bringt dabei seine Expertise zu optischen Messverfahren und Quantenoptik mit ein. Unterstützt wird das Vorhaben durch das Helmholtz-Zentrum DESY und der European XFEL GmbH.

‚Augensichere Empfindlichkeitsverbesserung von Laser-Doppler-Vibrometern auf Basis von gequetschtem Licht‘

Gemeinsam mit Partnern der Technischen Universität Clausthal arbeitet Professor Schnabel an einem experimentellen Nachweis, dass moderne Laser-Doppler-Vibrometer (LDVe) sich mit gequetschtem Licht verbessern lassen. Die Herausforderung liegt darin, dies ohne Erhöhung der Laserleistung zu erreichen. Gleichzeitig sollen die neuen LDVes in den gleichen Einsatzbereichen wie zum Beispiel Vibrationsmessungen, mit dem Ziel akustische Emissionen zu reduzieren, eingesetzt werden können. Daher gilt es bei diesem Vorhaben, Aspekte der Quantenoptik mit denen der Ingenieurwissenschaft konstruktiv zu kombinieren, um die derzeitige Auflösungsgrenze industrieller LDVs zu verbessern. Anwendungen von LDVes in den Ingenieurwissenschaften könnten somit sogar prinzipiell noch ausgeweitet werden.

Zukunftsvision

Professor Schnabel setzt sich aktiv dafür ein, die Quantenphysik in weiteren Gebieten und Branchen nachhaltig zu etablieren und damit die Gesellschaft an den neuen technologischen Innovationen und Möglichkeiten teilhaben zu lassen. Neben eigenen Gründungsaktivitäten ist er daher sehr daran interessiert, mit verschiedensten Kooperationspartnern aus Wissenschaft und Wirtschaft zusammenzuarbeiten.

Schwerpunkte

  • Nichtlineare Quantenoptik
  • Laserphysik
  • Hochpräzise Messtechnik
  • Hochempfindliche Photodetektoren
  • Gequetschtes Licht
  • Gravitationswellendetektion
  • Verschränkung und Quantenkryptographie
  • Quantenphysik massiver Objekte

Kooperationen

  • Internationale Kooperationen mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unterschiedlichster Disziplinen
  • Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen
  • Partner der GEO600 Kollaboration und der LIGO Scientific Collaboration (LSC)
  • Großunternehmen und KMUs (branchenoffen)
  • Deutsche Physikalische Gesellschaft
  • HansePhotonik e.V.

Interessiert an

  • Metrologie
  • Analoge Elektronik
  • Mikroelektrotechnik
  • Regelungstechnik
  • Robotik
  • Digitale Kommunikation
  • Glasfasertechnologie

Professor Schnabel ist stets daran interessiert, neueste Erkenntnisse auch fachfremder Disziplinen zu gewinnen, um damit seine Forschungstätigkeit reflektieren, optimieren und in die Umsetzung bringen zu können. Gleichzeitig steht er gerne für Workshops und Vorträge oder auch beratend in Projekten zur Verfügung.

Wissen entdecken, Expertise finden &

gemeinsam Ideen verwirklichen