Aktuelle Projekte

Magnetic Drug Targeting unter Einsatz von superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln (SPIONs) ist eine wirksame Methode, um in der Krebstherapie die Wirkstoffapplikation im Tumorgewebe zu steigern, bei gleichzeitiger Reduktion der Gesamtwirkstoffmenge und der mit der Therapie einhergehenden Nebenwirkungen. Während die Wirksamkeit des Ansatzes bereits in Studien nachgewiesen werden konnte, fehlen allerdings bislang Ansätze, um diese Methode an den jeweiligen Behandlungsfall anzupassen und zu optimieren. Ziel dieses Antrags ist es daher, die Grundlagen für eine derartige patientenindividuelle Optimierung zu legen: Vergleichbar dem bereits erfolgreich praktizierten Procedere in der Strahlentherapie sollen perspektivisch vor der Anwendung der Therapie auf Basis des lokalen Gefäßsystems des Patienten und der Eigenschaften des Tumors die verwendeten Magnetfelder derart angepasst werden, dass der Anteil des Wirkstoffs, der in das Tumorgewebe gelangt, maximiert wird. Zu diesem Zweck soll im beantragten Projekt ein physiologisch-physikalisches Modell der Bewegung und Magnetfeld-basierten Steuerung von SPIONs entwickelt, als Finite-Elemente-Modell implementiert und experimentell validiert werden. Dieses soll es erlauben, die zeitlich variable Feldstärke und Position eines oder mehrerer Elektromagnete in Hinblick auf die Partikelkonzentration in einem Zielgebiet zu optimieren. Im Projekt sollen dabei die Steuerung bei einfach und mehrfach verzweigten Kanalsystemen ebenso wie beim Übertritt aus dem Gefäß in das umliegende Gewebe betrachtet werden. Damit soll die Basis für eine spätere Übertragung des Optimierungsansatzes auf gegebene Gefäß- und Tumormodelle in der klinischen Anwendung gelegt werden. Die mathematisch-algorithmische Entwicklung des Simulations- und Optimierungstools obliegt dabei dem Lehrstuhl für Angewandte Mathematik III (AM3) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU). Im gesamten Projektverlauf soll dieses Modell experimentell validiert und auf Basis von Versuchen erweitert werden. Die zugehörigen Versuchsaufbauten werden gemeinsam vom Lehrstuhl für Technische Elektronik (LTE) der FAU und der Sektion für Experimentelle Onkologie und Nanomedizin (SEON) des Universitätsklinikums Erlangen entwickelt und betreut. Dabei ist der LTE für die Mess- und Steueraufbauten verantwortlich, die SEON für die Nanopartikel und die Gefäßmodelle inkl. Untersuchungen an menschlichen Nabelschnurarterien.

Dieses Projektvorhaben zielt auf die Erforschung eines skalierbaren, zweistufigen elektronisch-photonischen MIMO Radarsystems im Millimeterwellenbereich ab. In Phase I des SPP 2111 wurde bereits die kohärente optische Verteilung des Lokaloszillatorsignals sowie die breitbandige Integration eines EP-FMCW-Radar-Frontends untersucht. Die Vision für Phase II des SPP 2111 ist nun die Erweiterung eines monolithisch integrierten elektronisch-photonischen FMCW Radarsystems um einen neuen Frequenzmultiplex-Ansatz, der durch einen neuen zusätzlichen optischen Datenbus realisiert wird, der ein Hochgeschwindigkeits-Kodierschema überträgt. Mit Hilfe dieser zusätzlichen Kodierung kann eine große Anzahl von kohärenten 2x2-Radarmodulen unterschieden werden, wobei die rechenintensive Kodierung in einem zentralen Knotenpunkt konzentriert wird. Insbesondere an den elektro-optischen Schnittstellen ist hierfür eine intensive Forschung unter Einbeziehen neuer Technologien für optische Modulationsverfahren und Komponenten notwendig, um die herausfordernden Bandbreitenanforderungen zu erfüllen.

MOTIVATIONDer Mobilfunk der sechsten Generation (6G) wird gänzlich neue Anwendungsszenarien in der Industrie, der Medizintechnik und dem alltäglichen Leben ermöglichen. Damit einher gehen neue und höhere Anforderungen an die Latenz, die übertragbare Datenrate, die räumliche Auflösung, sowie die Datenverarbeitung und das Energiemanagement der Kommunikationssysteme, welche derzeit nicht erfüllt werden können. Eine vielversprechende technologische Lösung bietet die Erschließung neuer Funkfrequenzen bis in den Terahertzbereich (THz). Damit können extrem hohe Datenraten und eine hochauflösende sensorische Erfassung ermöglicht werden. Für die Realisierung von 6G ist es daher wichtig, energieeffiziente THz-Empfänger und -sender mit steuerbarer Richtcharakteristik zu entwickeln, welche über hohe Signalgüte und Bandbreite verfügen. Unter anderem eröffnen optoelektronische Technologien hier vielversprechende Lösungsansätze.
ZIELE UND VORGEHENIm Projekt „Industrialisierbare Schlüsseltechnolo-gien für energieeffiziente Tbit-Transceiver in 6G Mobilfunksystemen - ESSENCE-6GM“ werden Lösungen erforscht, um Sende- und Empfangs-module für den Frequenzbereich knapp unter der Terahertzstrahlung (sub-THz) zu realisieren, welche ein kritischer Bestandteil künftiger 6G-Systeme sein werden. Für die technische Umsetzung stehen Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit an erster Stelle: Die Lösungen müssen in zukünftigen industriellen Serienproduktionen kostengünstig realisierbar und im Vergleich zu heutigen Lösungen im Betrieb deutlich energieeffizienter sein. Das Projekt setzt gezielt bei den kritischen Schwachpunkten heutiger Sender- und Empfängersysteme an: Durch die Einführung neuer Konzepte bei der Analog- und Digitalwandlung, Schaltungstechnik und Modulintegration können Sender- und Empfangseinheiten für sub-THz-Systeme energieeffizienter und hochleistungsfähiger gemacht werden. Zu Projektende ist die Demonstration eines Mehrantennensystems geplant, mit dem Datenraten von bis zu einem Terabit pro Sekunde über 10 Meter hinaus in ausgewählten Nutzungsszenarien übertragen werden können.
INNOVATIONEN UND PERSPEKTIVENIm Projekt Essence-6GM werden Komponenten entwickelt, die eine leistungsfähige Übertragung im sub-THz-Bereich bei hoher Energieeffizienz ermöglichen. Insgesamt trägt das Projekt dazu bei, dass Deutschland eine führende Rolle bei der Ausgestaltung der 6G-Standards einnimmt und der Anteil von in Europa hergestellten Schlüsselkomponenten für 6G-Systeme gesteigert wird. Dies ist ein wesentlicher Beitrag, um die technologische Souveränität Deutschlands und Europas zu stärken.

MotivationQuantencomputer gelten heute als die Rechenmaschinen der Zukunft. Sie verwenden sog. Qubits statt der herkömmlichen Bits der klassischen Computertechnik. Die besonderen Eigenschaften dieser Qubits erlauben dem Quantencomputer, alle mit den Qubits darstellbaren Zustände gleichzeitig einzunehmen, während herkömmliche Computer pro Rechenschritt nur mit einer der durch die verfügbaren Bits darstellbaren Kombination arbeiten können. Mit Quantencomputern lassen sich so Aufgaben lösen, an denen herkömmliche Computer scheitern. Vorgänge auf molekularer Ebene lassen sich simulieren, so dass z. B. die Wirkungsweise von neuen Wirkstoffen für die Pharmaindustrie vorhergesagt werden kann. Ebenso können Quantencomputer Wege finden, um hocheffiziente Batteriespeicher zu entwickeln, oder komplexe Probleme im Verkehrsmanagement lösen.
Ziele und VorgehenIm vorliegenden Verbundprojekt soll der Demonstrator eines Quantencomputers auf der Basis supraleitender Schaltkreise aufgebaut werden und ebenso die Peripherie, die notwendig ist, um den Quantencomputer an herkömmliche Computersysteme anzubinden. Die Arbeiten umfassen die Erforschung von Mikrowellenschaltkreisen zur Kontrolle der Qubits, die Erforschung von Integrationsmethoden für supraleitende Schaltkreise, und reichen bis zur Entwicklung angepasster Compiler und Laufzeitumgebungen für den Quantencomputer. Der zugehörige Quantenprozessor soll mit bis zu 100 Qubits rechnen können und wäre damit in der Lage zehn hoch dreißig Zustände gleichzeitig darstellen zu können (das ist etwa das Zehnmilliardenfache der Anzahl an Sternen, die das Universum schätzungsweise hat).
Innovation und PerspektivenZiel der Arbeiten ist es u.a. einen zuverlässigen Betrieb eines solchen Quantencomputers sicherzustellen, und auf der anderen Seite die Peripherie zu schaffen, um die Rechenleistung dieses Computers für eine breite Gruppe von Anwendern per Cloud-Computing zur Verfügung zu stellen.

Der Open6GHub wird zur Entwicklung einer 6G Gesamtarchitektur, aber auch Ende-zu-Ende Lösungen unter anderem in folgenden Bereichen beitragen: erweiterte Netzwerktopologien mit hochagiler sogenannter organischer Vernetzung, Security- und Resilienz, Thz- und photonische Übertragungs verfahren, Sensorfunktionalitäten in den Netzen und deren intelligente Nutzung und Weiterverarbeitung und anwendungsspezifische Radioprotokolle.An der FAU wird hierzu unter der Leitung von Prof. Franchi (ESCS), Prof. Weigel (LTE) und Prof. Vossiek (LHFT) geforscht. Am Lehrstuhl für Technische Elektronik (LTE) werden insbesondere Joint-Communications-and-Sensing-Technologien sowie deren Anwendung in resilienten 6G-Campusnetzen erforscht. Hierfür wird eng mit den Lehrstühlen ESCS und LHFT kooperiert. Des Weiteren findet am LTE der Entwurf von integrierten Device-to-Device Kommunikationschips für die Nutzung um 140 GHz statt.Der Fokus von ESCS liegt auf JCAS, adaptiven RAN-Architekturen, Protokolldesign und Wellenformdesign für 6G. Darüber hinaus befasst sich ESCS mit Themen wie Resilience-by-Design und Security-by-Design.

In diesem EmpkinS-Teilprojekt sollen lokalisierbare Elektromyographie (EMG)-Funktransponder entworfen und realisiert werden, um erstmals Oberflächen-EMG-Daten synchron mit einer hochgenauen Funkortung in Echtzeit erfassen zu können. Hierfür wird ein 61-GHz-Transceiver in CMOS-Technologie entworfen, der das für das holografische Funkortungsverfahren notwendige phasenkohärente Signal aussendet und gleichzeitig extrem energiesparend ausgelegt werden muss. In einem weiteren Schritt soll der Transceiver in einer EMG-Sensorplattform integriert werden, die in Versuchsreihen an Probanden z. B. im Gesicht oder an den Beinen zur Analyse der Mimik oder des Ganges evaluiert werden soll.

Die Quanteninformationsverarbeitung (QIP) und allgemein der Einsatz von Quantentechnologien (QT) für Kommunikation, Sensorik, Metrologie und Berechnungen hat sich im letzten Jahrzehnt zu einer Schlüsseltechnologie für den Fortschritt in Wissenschaft und Technik entwickelt. Die Fähigkeit, Quantenzustände zu erzeugen und zu manipulieren und bei Bedarf Überlagerungen und Verschränkungen zu erzeugen, hat zur Entwicklung von Mess- und Rechenverfahren geführt, die weit über die klassischen Werkzeuge hinauszugehen versprechen. In den letzten zwei Jahrzehnten wurde die Physik der Quanteninformation (QI) in Labors entwickelt und es wurden Wege zu Quantengeräten mit unübertroffenen Eigenschaften aufgezeigt [ARU19]. Insbesondere hat sich gezeigt, dass das Quantencomputing (QC) eine noch nie dagewesene Rechenleistung für die Lösung einiger schwieriger Probleme verspricht, vor allem wenn Quanteneigenschaften beteiligt sind, wie zum Beispiel bei chemischen Berechnungen und bei Quantensimulationen von Vielkörperproblemen, wie sie in den Materialwissenschaften häufig vorkommen. Darüber hinaus verbessern Quantenverfahren die Optimierungsroutinen und können zur effizienten Lösung einiger schwieriger mathematischer Probleme, wie z. B. dem Faktorisieren, verwendet werden.In den letzten zehn Jahren haben Laborversuche mit Quantencomputern ihre einzigartigen Rechenfähigkeiten unter Beweis gestellt und den Anstoß gegeben, solche Geräte für einen breiteren Einsatz in industriellen Anwendungen verfügbar zu machen. IBM hat Quantencomputer über einen Cloud-Zugang verfügbar gemacht und eine große Zahl von Nutzern und Kunden angezogen, die sich mit der neuen Technologie vertraut machen wollen. Google hat das demonstriert, was sie als "Quantenüberlegenheit" bezeichnet haben, d. h. es zeigt einen großen Geschwindigkeitszuwachs im Vergleich zu klassischer Rechenleistung. Der bisher demonstrierte Algorithmus (Zufallsschaltungen) ist zwar für praktische Zwecke unbrauchbar, aber er hat deutlich gezeigt, welcher Quantenvorteil erzielt werden kann. Dieses Rechenpotenzial führte zur Gründung hunderter Start-ups, sowohl hardware- als auch softwareorientiert, auf der Suche nach der Realisierung skalierbarer Quantengeräte und -algorithmen. Die meisten dieser neu gegründeten Unternehmen wurden in den USA, Kanada, Australien, einigen Ländern des Vereinigten Königreichs, den Niederlanden und anderen europäischen Ländern gegründet, aber nur sehr wenige in Deutschland, obwohl ein Großteil der Grundlagen und viele der nachgewiesenen Quantenfunktionen in Europa gewonnen wurden. Im Bewusstsein der potenziellen Vorteile von QC und der allgemeinen Verwendung von QT und den dazugehörigen Geräten bilden sich derzeit mehrere Initiativen, um QC und QT in Deutschland und insbesondere in Bayern zu etablieren. Die Kompetenz in QC und QT wird fortschrittliche Technologien ermöglichen und die führende Rolle der deutschen und bayerischen Industrie für die nächsten Jahrzehnte sichern.Die Initiative MQV - Munich Quantum Valley will das fundierte Quantenwissen der Forschungsinstitute und Universitäten in Bayern mit den Expertentechnologien der Unternehmen und der Industrie verbinden, um die QC-Technologie und ganz allgemein das Know-how in der QT zu entwickeln und bereitzustellen. Es wird erwartet, dass im Zuge der geplanten Arbeiten neue Start-up-Unternehmen gegründet werden, die das Technologieumfeld verbessern und Bayern für Forschung und Entwicklung zunehmend attraktiver machen. Darüber hinaus zielt die Initiative darauf ab, eine neue Generation von Ingenieuren mit einem Hintergrund in der Quantentechnologie und von Quantenphysikern mit soliden technischen Kenntnissen auszubilden, um die Grundlage für neue Quantenanwendungen und Quantengeräte als Ressource für die Gestaltung der Zukunft zu schaffen.