Nicholas Güsken
Das Verständnis der Wechselwirkung von Licht und Materie auf kleinster Ebene bildet die Grundlage vieler neuer Technologien – insbesondere für Quantentechnologien. Der Physiker Nicholas Güsken verbindet Grundlagenforschung in der Quantenoptik mit Ingenieurswissen. An der Universität Paderborn entwickelt er die Bausteine für photonische Quantentechnologien und Quantennetzwerke.
Es sind die kleinsten Energiepakete des Lichts, die Nicholas Güsken kontrollieren will – die Photonen. Sie weisen quantenmechanische Eigenschaften auf und können faszinierenderweise eine Vielzahl von Zuständen zugleich annehmen. Ein einzelnes Photon kann scheinbar auf mehreren Wegen gleichzeitig unterwegs sein, in unterschiedliche Richtungen zugleich schwingen oder auch unterschiedliche Farben annehmen. Erst bei einer Messung wird aus dieser Überlagerung ein eindeutig erkennbarer Zustand. „Werden mehrere solcher Quantenzustände gezielt miteinander gekoppelt, wächst der so abbildbare Informationsgehalt über die möglichen Zustände stark an“, sagt Nicholas Güsken, der 2025 als Juniorprofessor für Quantenphotonik und Optoelektronik an die Universität Paderborn berufen wurde. „Darauf beruht ein wesentlicher Vorteil von Quantencomputern gegenüber klassischen Rechnern.“
Unser Ziel ist es, Licht auf kleinster Ebene zu kontrollieren.
Die Quantenphotonik macht sich diese quantenmechanischen Eigenschaften des Lichts zu Nutze, sie erzeugt gezielt einzelne Photonen, kontrolliert und koppelt sie. „Wir manipulieren Atome oder atomartige Quantensysteme, die Photonen aussenden, und integrieren sie als Schnittstellen auf Chips – so wollen wir Quanteneigenschaften für Kommunikation, Berechnungen oder Sensorik nutzbar zu machen“, sagt Güsken. „Unser Ziel ist es, Licht auf kleinster Ebene zu kontrollieren.“ Damit schafft Nicholas Güsken wichtige Grundlagen für Quantennetzwerke, -computer und -messgeräte der Zukunft. Eine Zukunft, die in großen Teilen auf Licht gebaut sein wird.
Nanofabrikation der Weltklasse
Die Quantensysteme, die Güsken untersucht, sind in optische Schaltkreise integrierte, sogenannte Einzelphotonenquellen. Es sind die zentralen lichtemittierende Bausteine photonischer Quantennetzwerke. Ionen der Seltenen Erde Erbium sind als Einzelphotonenquellen besonders vielversprechend. Sie senden Licht im Infrarotbereich aus, also in der Nähe der Wellenlängen, die bereits für die optische Datenübertragung in Glasfasern genutzt werden.
Seit einigen Jahren versuchen Forschende weltweit, Erbium auch als Quantenlichtquelle einzusetzen. „Erbium ist eine sehr stabile Einzelphotonenquelle, die wir in optische Chips einbauen und so optimieren wollen, dass sie die gewünschten optischen Eigenschaften besitzt“, sagt Güsken. „Unser Ziel ist es, Erbium dazu zu bringen, quasi auf Knopfdruck einzelne, ununterscheidbare Photonen auszusenden deren Frequenz wir aktiv kontrollieren können und dadurch eine für Quantennetzwerke nutzbare Quelle zu etablieren.“
Bereits während seiner Zeit als Postdoktorand an der Stanford University in Kalifornien forschte Nicholas Güsken an Wellenleitern mit eingebautem Erbium. Ihm gelang es, durch die geschickte Ausnutzung von Quanteneffekten, die Umgebung der Erbiumatome so zu manipulieren, dass sie die Anzahl der ausgesendeten Photonen stark erhöhen. Dies ist besonders wichtig, da Erbium eine sehr schwache Lichtquelle ist. Einflüsse wie Temperatur, Kristalldefekte oder Elektronenfluktuation können seine Stabilität stören und so beispielsweise die Farbe verschieben, mit der es Photonen absondert. Güsken versucht jetzt in Paderborn, diese „Störgeräusche“ durch aktive Kontrolle der elektromagnetischen Felder in der direkten Umgebung der integrierten Erbiumionen zu stabilisieren und die Frequenz einstellbar zu machen.
Wir unterhalten hier quasi eine eigene kleine Chipfabrik.
Dafür produziert er mit seinem Team eigene Erbium-Proben, optimiert diese durch Computersimulationen und testet Hypothesen sowie Prototypen im eigenen optischen Labor. Die experimentellen Möglichkeiten an der Universität Paderborn ermöglichen die Fabrikation von photonischen Chips mit gezielter Implantation der Erbium-Atome in die Wellenleiter und von anderen aktiven, nanophotonischen Plattformen. „Wir unterhalten hier quasi eine eigene kleine Chipfabrik“, sagt Güsken. „Dieses hohe Niveau der Nanofabrikation als auch der experimentellen Charakterisierungsmöglichkeiten ist absolut entscheidend für Spitzentechnologie.“
Eine Laufbahn im Lichte der Photonen
Nicholas Güsken fand früh zum Licht. Nach dem Studium der Physik an der RWTH Aachen und der Nanomaterialwissenschaften an der Sorbonne in Paris, befasste er sich für seine Doktorarbeit am Imperial College in London mit dem Gebiet der integrierten Nanophotonik. Dabei handelt es sich um einen Unterbereich der Optik und der Festkörperphysik, der ergründet, wie Licht auf kleinster Ebene manipuliert werden kann. „In der integrierten Nanophotonik geht es darum, die Wechselwirkung von Licht und Materie nah am, oder teils sogar weit unter, dem Brechungslimit zu manipulieren“, sagt Güsken. Hierbei lassen sich sehr starke Wechselwirkungen zwischen Licht und fluoreszierenden Materialien erzeugen. Außerdem ermöglicht die integrierte Nanophotonik optische Systeme skalierbar zu machen. Dies eröffnet weitreichende neue technologische Möglichkeiten, die durch klassische Linsensysteme nicht möglich wären.
Es war eine Entscheidung Geld gegen Liebe und ich habe mich für die Liebe entschieden: die Wissenschaft.
Ein Abstecher in die freie Wirtschaft, als leitender Forschungs- und Entwicklungsingenieur eines Deep-Tech-Spinoffs der ETH Zürich hätte Güsken fast von der Grundlagenforschung abgebracht, aber nach gut einem Jahr zog es ihn zurück an die Universität. Er ging mit einem Leopoldina Postdoc Fellowship an das renommierte Geballe Laboratory for Advanced Materials der Stanford University. „Es war eine Entscheidung Geld gegen Liebe und ich habe mich für die Liebe entschieden: die Wissenschaft“, sagt Güsken. „Die Dichte an sehr interessanten Leuten, die Lust haben, etwas Neues zu kreieren und in neue Richtungen denken, ist in Stanford extrem hoch – das hat mich angezogen.“ Angebote aus dem Silicon Valley, sowie von Universitäten aus den USA folgten. Erneut entschied er sich für die Wissenschaft– und für Europa.
Von Kalifornien nach Paderborn – eine Entscheidung für Spitzenforschung
An die Universität Paderborn kam Nicholas Güsken 2025, weil sich hier das Institut für Photonische Quantensysteme im Aufbau befindet. Rund 140 Wissenschaftler:innen aus Informatik, Mathematik, Elektrotechnik und Physik forschen in Paderborn mit exzellenter technischer Ausstattung zu den aktuellen Fragen der Quantenphotonik. „Es kommt hier alles zusammen, was man braucht, um neuartige photonische Quantensysteme aufzubauen und Spitzenforschung zu betreiben“, sagt Güsken.
Eine Förderung der Wübben Stiftung Wissenschaft und die Unterstützung durch das nordrhein-westfälische Rückkehrprogramm für junge Wissenschaftler:innen sowie eine Tenure-Track-Juniorprofessur haben Güsken die Entscheidung erleichtert. Die Startbedingungen als auch das Angebot aus Paderborn waren so attraktiv, dass er Kalifornien den Rücken zukehrte und weitere Angebote für Tenure-Track-Professuren in den USA ausschlug. „Der Forschungsbereich der Integrierten Photonik und Quantenoptik benötigt hohe Startinvestitionen aufgrund der aufwendigen Fabrikationsanlagen sowie des spezialisierten Equipments“, sagt Güsken. „Hier ist die Universität Paderborn stark aufgestellt.“
Die Universität, an der seit 2024 der erste lichtbasierte Quantencomputer Deutschlands läuft, hat für Nicholas Güsken die richtigen Weichen gestellt, um im internationalen Konkurrenzumfeld zu bestehen – vor allem durch eine klare Fokussierung auf die Bereiche Quantenphotonik, Quantenoptik und Optoelektronik. „Wir sind hier alle unabhängige Forscher:innen, aber wir bewegen uns gemeinsam in eine Richtung und dadurch kann viel Gutes entstehen“, sagt er. Er selbst will neben den praxisnahen Projekten auch weiterhin auf ergebnisoffene Grundlagenforschung setzen. „Wie jeden Wissenschaftler und jede Wissenschaftlerin reizt es mich, Effekte zu finden, die wir nicht erwartet haben und dazu beizutragen, unser Grundlagenverständnis über die Natur zu erweitern“, so Güsken.
Der Quantenphysiker Nicholas Güsken ist seit 2025 Tenure-Track Professor für Quantenphotonik & Optoelektronik am Institut für Photonische Quantensysteme (PhoQS) sowie am Center for Optoelectronics and Photonics (CeOPP) der Universität Paderborn. Zuvor war er Postdoktorand an der Stanford University und als leitender Forschungs- und Entwicklungsingenieur bei dem Schweizer Deep Tech-Unternehmen Polariton Technologies (nun Marvell Technology, Inc.), einem Spinoff der ETH Zürich, in Zürich tätig. Seine Doktorarbeit hat er am Imperial College in London verfasst. Er hat Physik, Wirtschaftswissenschaften sowie Nanotechnologie an der RWTH Aachen sowie der Sorbonne in Paris studiert.