Goldener Quantencomputer in einer Vitrine

Quantencomputer wie dieser sind die Zukunft. Sie ermöglichen viele neue Technologien und Anwendungen. Wir stellen die deutschen Start-ups vor, die bereits heute an Quantentechnologien für die Zukunft arbeiten. - Bild: DP - stock.adobe.com

| von Julia Dusold

Quantencomputer werden zukünftig dank ihrer Rechenpower Anwendungen möglich machen, die selbst mit modernsten Supercomputern nicht machbar sind. Dazu wird spezielle Hardware benötigt, quantenbasierte Algorithmen müssen erarbeitet und Software entwickelt werden. Auch passende Anwendungsfelder müssen identifiziert sowie die passenden Lösungen dafür entwickelt werden.

Allein mit Forschung kann dies nicht gelingen und große Unternehmen haben viele Baustellen für die Zukunft. Daher sind Start-ups ein essenzieller Teil der Quantenrevolution. Auch in Deutschland.

Diese deutschen Jungunternehmen entwickeln bereits heute die quantenbasierten Technologien von morgen:

HQS Quantum Simulations

HQS Quantum Simulations ist eine Ausgründung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Die Gründer Dr. Michael Marthaler, Dr. Sebastian Zanker, Dr. Iris Schwenk und Dr. Jan Reiner beschäftigen mittlerweile 17 weitere Personen. Für die ersten Projekte nach der Gründung konnten sie bereits Industriegrößen wie BASF, Bosch und Merck gewinnen.

Das 2017 gegründete Unternehmen hat es sich zum Ziel gemacht, Molekül-Eigenschaften mithilfe einer auf Quantenalgorithmen bestehenden Software vorherzusagen. Helfen soll dies vor allem bei der Entwicklung von Materialien oder Medikamenten.

Mit seiner Simulationssoftware möchte HQS den Test- und Herstellungsprozess von Chemikalien, Materialien und Pharmazeutika vereinfachen. Die Aussicht auf Quantencomputer macht dies möglich. Dieser ist bisher häufig sehr kompliziert, zeitaufwendig und damit teuer. Da hinzukommt, dass die Stoffe aufgrund ihrer atomaren Eigenschaften quantenmechanischen Effekten unterliegen, deren Simulation Rechenleistungen erfordert, die herkömmliche Computer nur schwer leisten können. Quantencomputer bieten hier eine große Chance auf einen einfacheren Prozess.

Das Start-up entwickelt dafür Quantenalgorithmen, die das Verhalten von Molekülen anhand der Anwendung quantenphysikalischer Gesetze vorhersagen können. Bisher wird die Software auf klassischen Computern ausgeführt, was noch keine produktiven Anwendungen erlaubt. Allerdings können so Erkenntnisse für die Zukunft erlangt werden. Sobald Quantencomputer kommerziell genutzt werden können, können das Wissen und die Software dann einfach übertragen werden.

 

JoS Quantum

Auch JoS Quantum aus Frankfurt beschäftigt sich mit Software für Quantencomputer. Allerdings für einen anderen Bereich: die Finanz- und Versicherungsbranche sowie die Energieindustrie. Gegründet wurde das Unternehmen von Marcus C. Braun, der zuvor bei der Deutschen Bank und als Berater für Finanzinstitute Erfahrung sammelte.

Das Start-up entwickelt eine Hardware-unabhängige Plattform, die Quanten- und quanten-inspirierte Algorithmen nutzt. Auf diese Weise entstehen laut dem Unternehmen neue und performantere Möglichkeiten im Handel, im Risikomanagement, in der Portfoliooptimierung, der Betrugsaufdeckung und der Strompreisbildung. Gemeinsam mit Projektpartnern und Kunden erarbeitet das FinTech-Unternehmen Prototypen und Machbarkeitsstudien, um die Möglichkeiten von Quanten- und quanten-inspiriertem Computing mit neuen Geschäftsmodellen auszunutzen.

Ein Beispielprojekt aus dem Energiesektor: Enerquant. In diesem Projekt entwickelt JoS Quantum gemeinsam mit verschiedenen Forschungsinstituten Lösungen für Modelle in Energiemärkten, die aus komplexen Optimierungsproblemen mit stochastischen Komponenten bestehen. Die Optimierungsprobleme sind so komplex, dass sie mit klassischen Algorithmen und Computern unlösbar sind. Im Projekt Enerquant werden die Modelle in quantenmechanische Probleme übersetzt, die dann mithilfe eines Quantensimulators gelöst werden können. Das Ziel: eine hinreichend genaue Modellierung des deutschen Strommarkts.

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Kiutra

Bei Kiutra geht es nicht um Software, sondern um Hardware. Das 2018 gegründete Spin-off der Technischen Universität München widmet sich der Entwicklung und Herstellung von kryogenfreien magnetischen Kühlsystemen.

Was hat das mit Quantencomputing zu tun? In der Regel benötigt man für den Betrieb von Quantentechnologien, seien es Computer oder Sensoren, sehr tiefe Temperaturen. Diese sollten möglichst nahe am absoluten Nullpunkt von Null Kelvin bei etwa -273 Grad Celsius liegen. Effektive Kühllösungen sind daher gefragt.

Während die meisten Lösungen flüssige Gase, wie beispielsweise das seltene und damit teure Isotop Helium-3, nutzen, hat Kiutra eine Kühltechnik entwickelt, die magnetisch dauerhaft tiefe Temperaturen erzeugt und lediglich Strom benötigt. Das Team rund um die Gründer Dr. Alexander Regnat, Prof. Christian Pfleiderer, Jan Spallek und Dr. Tomek Schulz möchten mit dieser unkomplizierteren Art der Kühlung dazu beitragen, die Entwicklung von Quantentechnologien zu beschleunigen.

Mehr Informationen über die Technologie von Kiutra und Einsatzgebiete für die Kühltechnik sehen Sie in diesem Video:

NVision

Quantum Imaging für die Medizin ist NVisions Steckenpferd. Das Start-up ist ein Spin-off der Institute für Theoretische Physik und Quantenoptik an der Universität Ulm und wurde 2015 gegründet.

NVision nutzt neue Fortschritte in der Quantenphysik um die molekulare Analyse und medizinische Bildgebung grundlegend zu verändern. Für die spezielle Messtechnik werden die transformativen Eigenschaften von Stickstofflöchern in Diamanten genutzt. So kann beispielsweise die Magnetresonanztomografie so weiterentwickelt werden, dass Stoffwechselprozesse sichtbar werden und damit zum Beispiel der Fortschritt einer Krebsbehandlung ermittelt werden kann.

Die übergeordneten Ziele des Unternehmens: eine sichere und nicht-invasive Diagnostik, höchste Präzision bei der MRT und ein damit besseres Verständnis von Tumoren.

Mehr dazu, wie Quantenbildgebung und Quantensensoren funktionieren und was die Technologien in Zukunft leisten können, lesen Sie in diesem Artikel:

Q.ant

Quantenbasierte Messtechnik ist auch bei Q.ant ein wichtiges Thema. Die Ausgründung von Trumpf entwickelt Photonik-Lösungen für den industriellen Einsatz von Quantentechnologien. Dabei handelt es sich um extrem kleine, auf Diodenlasern basierende Strahlquellen, die dann für Sensorik, Bildgebung oder sichere Datenkommunikation genutzt werden kann.

Der erste große Erfolg des 2018 gegründeten Start-ups: der nach Angaben der beteiligten Unternehmen erste für die Serienfertigung nutzbare Quantenoptik-Sensor der Welt. Mehr zu diesem speziellen Sensor, der von Q.ant gemeinsam mit Sick und Trumpf entwickelt wurde, lesen Sie im Beitrag "Quantensensoren: Wie Sick und Trumpf die Revolution anführen".

 

Quantum Optics Jena

Das Quantentechnologie-Start-up des Fraunhofer Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF widmet sich der Entwicklung von quantenbasierten Kommunikationssystemen. Gegründet wurde Quantum Optics Jena von Dr. Oliver de Vries und Dr. Kevin Füchsel.

Verschränkte Photonenquelle von Quantum Optics Jena
Erste Produkte von Quantum Optics Jena sind bereits in Vorbereitung. Dazu gehört eine miniaturisierte verschränkte Photonenquelle mit mehr als einer Million verschränkter Photonenpaare bei 780 nm und 840 nm Wellenlänge. – Bild: Quantum Optics Jena

Da klassische Verschlüsselungsverfahren in Zeiten von Quantencomputern nicht mehr sicher sein werden, müssen neue her. Die Quantenoptik ermöglicht solche neuartigen Konzepte. Eines davon: Die Quantenschlüssel-Verteilung (englisch: Quantum Key Distribution, kurz: QKD). Dabei werden quantenphysikalische Methoden, beispielsweise Quantenverschränkung, genutzt, um sichere Schlüssel für den Austausch von verschlüsselten Informationen zu generieren.

Quantum Optics Jena arbeitet an einer performanten und kompakten polarisationsverschränkten Photonenquelle, um solche QKD-Systeme möglich zu machen. Damit wird Cyber Security für das Quantenzeitalter bereit gemacht.

Quantentechnologie erklärt

Quantencomputer können Aufgaben wesentlich schneller lösen als klassische Computer. - Bild: Bartek Wróblewski - stock.adobe.com

Was ist Quantentechnologie eigentlich? Auf welchen Phänomenen der Quantenphysik basiert die Technik? Warum sind Quantentechnologien so relevant? Wie kann Deutschland Technologieführer werden? Antworten auf all diese Fragen lesen Sie im Artikel "Quantentechnologie: Warum Deutschland jetzt handeln muss".

Sie wollen lieber lesen, wie ein Quantencomputer genau funktioniert und wofür sie eingesetzt werden, dann lesen Sie unseren Zweiteiler zum Thema: "Quantencomputer Teil 1: Wie die Technik funktioniert" und "Quantencomputer Teil 2: Wo sie gebraucht werden".

Warum die Quantensensorik wahrscheinlich als erstes die Industrie erobern wird, erfahren Sie in "Warum Quantensensoren immer wichtiger werden".

Quartiq

Das Berliner Unternehmen Quartiq beschäftigt sich unter der Leitung von Dr. Robert Jördens mit der Entwicklung von offener Hard- und Software für Anwendungen der Quantentechnologie. Ziel ist es, Algorithmen und Komponenten für verteilte Hochleistungsmess- und Steuerungsaufgaben zu schaffen, die den Einsatz von Quantentechnologie in der Industrie ermöglichen.

Quartiq setzt dabei auf umfassende Beratung sowie Soft- und Hardware-Kompetenz. So entwickelt das Unternehmen beispielsweise Designs und übernimmt die Integration von Steuerungssystemen in kooperativen industriellen Forschungsprojekten.

Ein Beispiel: die transportable und robuste optische Atomuhr Opticlock. Sie soll die bisherigen Lösungen, bei denen Wasserstoff-Maser eingesetzt werden, ablösen und eine zehnmal höhere Genauigkeit ermöglichen. Die geplante Uhr basiert auf einem einzelnen, in einer Ionenfalle gefangenen und mit Lasern gekühlten Ytterbium-Ion. Denkbare Anwendungen sind zum Beispiel die Synchronisation großer Datennetzwerke in der Telekommunikation oder bei der Navigation in globalen Satelliten-Navigationssystemen wie GPS oder Galileo.

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