Quantencomputer im Labor

Quantentechnologie, wie beispielsweise der Quantencomputer im Bild, wird viele klassische Verfahren auf den Kopf stellen. Um bei der Technologie nicht abgehängt zu werden, müssen Politik, Wissenschaft und Wirtschaft nun eng und zügig zusammenarbeiten. - Bild: DP - stock.adobe.com

| von Julia Dusold

Deutschland ist stark, wenn es um die quantentechnologische Grundlagenforschung geht. Dennoch haben die USA und China bei Quantencomputern und Co. die Nase vorn - vor allem da dort große Konzerne wie IBM, Google und Alibaba an der Umsetzung arbeiten. Daher ist es an der Zeit, dass in Deutschland ebenfalls an die Anwendung und Vermarktung gedacht wird und sich Industrie und Forschung gemeinsam dem Thema annehmen.

Dass Quanten die Zukunft sind, sieht auch die Bundesregierung und fördert daher die Erforschung von Quantentechnologien mit 650 Millionen Euro in der aktuellen Legislaturperiode; damit auch der Transfer in die Wirtschaft gelingt sollen insgesamt zwei Milliarden Euro zur Verfügung gestellt werden.

PRODUKTION erklärt was Quantentechnologie kann, welches Potenzial darin steckt und wie Politik, Forschung und Wirtschaft zusammenarbeiten, um Deutschland zum Technologieführer zu machen. Lesen Sie in diesem Artikel,

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Was ist Quantentechnologie?

Unter dem Begriff Quantentechnologie wird Technik zusammengefasst, die auf Effekten aus der Quantenphysik basiert. Bereits in den 1950er Jahren wurden solche Produkte entwickelt, dazu gehören beispielsweise der Laser und die Atomuhr. Diese Phase wird häufig als die erste Quantenrevolution bezeichnet. Genutzt wurden grundlegende Prinzipien der Quantenphysik beziehungsweise die Effekte von makroskopischen Quantensystemen.

Mittlerweile - seit den 1990er Jahren - befinden wir uns in der sogenannten zweiten Quantenrevolution, in der das Verhalten einzelner Quanten genutzt wird. Quantenzustände werden aktiv angeregt, manipuliert und ausgelesen. Bei Quantencomputern sind dies beispielsweise die sogenannten Qubits - das Äquivalent zu den Bits herkömmlicher Rechner. Allerdings können eben nicht nur die Werte 0 oder 1 annehmen, sondern auch beliebige Kombinationen dieser Zustände. Dadurch wird die Leistungsfähigkeit der Systeme erhöht.

Allgemein lassen sich Quantentechnologien in vier Bereiche unterteilen: das Quantencomputing, die Quantenkommunikation, das Quantenimaging (Quantenbildgebung) und die Quantensensorik.

Auf welchen physikalischen Phänomenen basiert Quantentechnologie?

Die physikalischen Eigenschaften der Quanten ermöglichen hauptsächlich den Zugang zu mehr Informationen mit denen gearbeitet werden kann. Genutzt werden dafür beispielsweise die folgenden Phänomene:

  • Superposition: Quanten können gleichzeitig mehrere Zustände einnehmen und befinden sich dann in einer sogenannten Superposition. In diesem Zustand verhalten sie sich nicht mehr wie Teilchen, sondern wie Wellen. Erst bei der Messung wird der Zustand eindeutig auf einen bestimmten Zustand festgelegt. Ein bekanntes Gedankenexperiment dazu ist Schrödingers Katze
  • Quantenverschränkung: Die Verschränkung beschreibt eine besondere Kopplung zwischen Quanten, die unter anderem auftritt, wenn die Teilchen miteinander wechselwirken. Sie bilden dann ein Gesamtsystem, in dem die Quanten nicht mehr einzeln beschrieben werden können, sondern voneinander abhängig sind. Eine Zustandsmessung bei dem einen Quant führt dann automatisch zu einer Zustandsänderung des anderen Systems - auch wenn sie weit voneinander entfernt sind.
  • Heisenbergsche Unschärferelation und Tunneleffekt: Die Unschärferelation von Werner Heisenberg besagt, dass zwischen Ort und Impuls auf atomarer Ebene eine Unschärfe existiert. Das bedeutet, dass man Ort und Impuls eines Teilchens nicht gleichzeitig genau kennen kann. Je genauer man die Position kennt, desto größer wird die Unschärfe des Impulses, und umgekehrt. Dies gilt außerdem für weitere komplementäre Messgrößen, wie beispielsweise Energie und Zeit. Verbunden mit der Unschärferelation ist der Tunneleffekt, welcher auch bei Quantencomputern genutzt wird.

Wie Quantentechnologie für enorme Leistungssteigerung sorgt

Aufgrund der vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten, die sich aus dem Verhalten der Quanten ergeben, haben Quantentechnologien ein enormes Potenzial - egal ob es darum geht neue Werkstoffe basierend auf hochgenauen Simulationen herzustellen, Daten zu verschlüsseln oder maschinelles Lernen zu verbessern.

Besonders im Bereich des Quantencomputing kann viel Geschwindigkeit gewonnen werden. Auf diese Weise werden Anwendungen möglich, die es bisher nicht waren. Erstmals gezeigt hat das Google 2019: Ein von Google entwickelter Chip namens Sycamore soll laut Angaben des Unternehmens ein spezielles Zufallszahlenproblem innerhalb von 200 Sekunden berechnet haben, für das der schnellste Supercomputer der Welt 10.000 Jahre gebraucht hätte.

Portrait von Professor Oliver Ambacher, dem Leiter des Fraunhofer IAF. Er trägt einen schwarzen Anzug und eine blaue Krawatte.
Prof. Oliver Ambacher ist Leiter des Fraunhofer IAF. - Bild: Klaus Polkowski - Universität Freiburg

Welchen praktischen Nutzen das bringt, ist nicht sofort zu erkennen. Prof. Oliver Ambacher, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF, kennt allerdings viele praktische Anwendungen, die Quantentechnologie verbessern kann. Meist geht es darum, bestehende Prozesse schneller, genauer oder einfacher zu machen.

Anwendungsbeispiele zeigen extremes Potenzial

Der Forscher nennt unter anderem ein anschauliches Beispiel aus der Medizintechnik: die MEG (Magnetoenzephalographie), bei der Gehirnströme gemessen werden. "Das sind im Prinzip Ionen-Ströme und jeder Strom erzeugt ein Magnetfeld", erklärt Ambacher. "Im Moment wird das mit SQUIDs (superconducting quantum interference device, deutsch: supraleitende Quanteninterferenzeinheit) gemessen, die gekühlt werden müssen. Deswegen stecken Sie den Kopf, ich sage mal despektierlich, in eine große Tonne um die Ionen-Ströme zu messen.

Nutze man nun anstatt SQUIDs Qubits, so könnte man die MEG-Technologie mit einer höheren Ortsauflösung versehen und handlichere Systeme bauen. Das liegt daran, dass Qubits sehr empfindlich auf Magnetfelder reagieren. "Das heißt, wir können grundsätzlich sehr kleine Magnetfelder messen und das auch nicht nur bei tiefen Temperaturen", erläutert Ambacher. "Was wir machen ist, Magnetfeldsensorik auf die Spitze zu treiben."

Was Quantentechnologie im Bereich der Sensorik noch bewirken kann und wie Sick und Trumpf das Thema vorantreiben, lesen Sie in diesem Artikel:

Warum Deutschland auf Quantentechnologie setzen muss

Die Vielzahl an (theoretisch möglichen) Anwendungen zeigt, dass Quantentechnologie zukünftig wichtiger werden wird. "Die Quantentechnologie ist eine kritische und relevante Technologie der Zukunft", meint Prof. Raoul Klingner, Direktor Forschungsmanagement und -governance der Fraunhofer-Gesellschaft. "Bisher ist es ein bisschen eine Wette, aber alle sind sich sehr sicher, dass die Wette so ausgehen wird, dass die Quantentechnologie und das Quantencomputing maßgeblichen Einfluss auf technologische Entwicklungen haben werden."

Portrait von Raoul Klingner, Direktor Forschungsmanagement Fraunhofer-Gesellschaft
Prof. Raoul Klingner ist Direktor Forschungsmanagement bei der Fraunhofer-Gesellschaft. - Bild: Marc Müller

Dies ist für Klingner auch der Grund, warum Deutschland auf Quantencomputer und Co. setzen muss. "Wir sind sehr gut aufgestellt in Deutschland und Europa was die Forschung angeht, aber die großen Unternehmen kommen aus den USA, die solche Systeme heute schon am Markt anbieten"; bemängelt der Forschungsdirektor. "Es darf uns als Deutschland und Europa nicht noch einmal passieren, keine eigenen Systemintegratoren und Unternehmen zu haben. Insbesondere deshalb, weil wir so eine große Nachfrage nach den Systemen und dem Systemzugang haben bei der deutschen und europäischen Industrie."

Starke Wissenschaft kann industrielle Führungsrolle bringen

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung nennt als besonders interessierte Branchen die Raumfahrt und die Sicherheitsforschung. Gehe es allerdings um die Optimierung von Prozessen mithilfe von Quantencomputern oder -sensoren, seien viele verschiedene Unternehmen aus unterschiedlichen Bereichen interessiert; beispielsweise Volkswagen, Bosch, Siemens, Trumpf und Airbus. Daher ist eines der Ziele der Bundesregierung mit dem Förderprogramm für Quantentechnologien "das Fundament für eine industrielle Führungsrolle in den Quantentechnologien zu schaffen".

Fraunhofer-Präsident Prof. Reimund Neugebauer ist der Ansicht, dass Europa und vor allem Deutschland bei der Nutzung von Quantentechnologie sowohl die Gesellschaft als auch die Wirtschaft voranbringen muss. "Mit 40 Prozent aller Forschung und 50 Prozent aller Publikationen auf dem Gebiet der Quantenphysik - sind wir in Europa in diesem Fall gut aufgestellt und es liegt an uns selbst jetzt was daraus zu machen", sagt Neugebauer. "Das heißt wir müssen auf europäischer Ebene, auch ausgehend von der Pionierleistung von Deutschland, zu Treibern für die Quantentechnologie werden."

Wie funktioniert ein Quantencomputer?

Klassische Rechner arbeiten mit Bits, Quantencomputer mit Qubits (kurz für Quantenbits). Dies sind Zweizustands-Quantensysteme, die man sich als rotierendes Teilchen vorstellen kann, dessen Rotationsachse sich erst bei einer Messung auf eine Position festlegt. Ein Qubit kann daher im Vergleich zu einem klassischen Bit nicht nur die Zustände Null und Eins annehmen, sondern jede beliebige Kombination beider Zustände oder auch beide Zustände gleichzeitig. Diese Eigenschaft führt dazu, dass die gleiche Berechnung auf einem Quantencomputer viel schneller ablaufen kann.

Der grobe technische Aufbau der Rechner ist meist ähnlich: Quantencomputer bestehen aus supraleitenden Koaxialleitungen für geringe Energieverluste, Mischkammern für eine konstante Kühlung, kryogenen Isolatoren für eine rauschfreie Übertragung, quantenlimitierten Verstärkern für das Erfassen und Auslesen der Signale, einem Cryoperm-Schild zum Schutz vor elektromagnetischer Strahlung sowie dem eigentlichen Chip-Quantenprozessor, in dem die Informationen verarbeitet werden.

Genauere Informationen erhalten Sie in unserem Zweiteiler über Quantenrechner:

Wie Deutschland zum Quantenimperium werden will

Doch was muss getan werden, dass Deutschland zu einem solchen Innovations-Treiber wird?

Portrait von Reimund Neugebauer, Präsident Fraunhofer-Gesellschaft
Prof. Reimund Neugebauer ist Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft. - Bild: Bernhard Huber

Neugebauers Antwort: "Wir müssen die verstreuten Kompetenzen in unserem Land vernetzen und müssen die Wirtschaft von Anfang an integrieren. Wir müssen Menschen befähigen, mit Quantentechnologien umzugehen. Das Ziel ist eindeutig: Quantenbasierte Wertschöpfungsketten dürfen nicht an Deutschland vorbeigehen, sondern sollen in Zukunft als Markenzeichen kluger deutscher Produkt- und Prozessgestaltung genutzt werden."

Auf der To-do-Liste für Politik, Forschung und Wirtschaft stehen laut Fraunhofer-Präsident vor allem ein wesentlicher und besonders wichtiger Punkt: Wenn schon so viel Geld in die Forschung und Entwicklung gesteckt wird, müssen auch Geschäftsmodelle entwickelt werden, die am Ende für Wertschöpfung sorgen. Denn dass Quantentechnologie Relevanz hat und haben wird, stehe außer Frage: "Wenn man so viel Geld anfasst wie wir in unserem Land, dann ist das Thema relevant", betont Neugebauer. "Und wenn wir uns nicht damit befassen, dann verlieren wir an Souveränität."

Technik auf Basis der Quantenphysik sei daher sowohl aus wirtschaftlichen Gründen unumgänglich als auch aus Gründen der technologischen Souveränität. Gerade letzteres sei besonders wichtig, denn: "Da haben wir schon Einbußen in der Vergangenheit gemacht, die es gilt wieder auszugleichen. Wir müssen jetzt aufpassen, dass wir uns bei diesem Schritt hin zu einer völlig neuen Generation von Technologien nicht die exzellente Grundlagenarbeit der letzten Jahre in der Umsetzung wegnehmen lassen", appelliert Neugebauer.

'Roadmap Quantencomputing' soll zum Erfolg führen

Damit das nicht passiert arbeiten Politik, Forschung und Wirtschaft eng zusammen. Manifestiert ist diese Zusammenarbeit in der 'Roadmap Quantencomputing', die im Januar 2021 veröffentlicht wurde. Erarbeitet wurde die Sammlung aus Zielen, Wettbewerbsanalyse und Handlungskriterien, die Deutschland zum führenden Anbieter von Quantencomputing machen soll, von einem Expertenrat aus Wirtschaft und Wissenschaft. Mit dabei sind zum Beispiel Experten von Unternehmen wie Bosch, Volkswagen, BASF und Trumpf. 

Ziele des Expertenrats sind unter anderem der schnellstmögliche Aufbau und Betrieb von wettbewerbsfähigen Quantencomputer-Systemen in Deutschland, eine langfristige Verstetigung der Entwicklung durch einen wirksamen Technologietransfer und die Ansiedlung von Start-ups sowie die Unterstützung des Aufbaus eines technologisch breiten Zulieferer-, Anbieter-, Software- und Anwenderindustrie.

Quantentechnik: Zulieferer und Ausrüster sind ebenfalls gefragt

"Wir müssen als Industrie-Nation bereits heute die Weichen für unseren Wohlstand im Jahr 2030 stellen", sagte Trumpf-Entwicklungschef Peter Leibinger gegenüber dem Handelsblatt. Er leitet gemeinsam mit dem Münchner Physik-Professor Stefan Filipp den Expertenrat. "Große Unternehmen sollten beginnen, Kompetenzen in ihren Entwicklungsabteilungen aufzubauen. Kleine und mittelständische Unternehmen sollten prüfen, ob und wenn ja wie sie als Zulieferer oder Ausrüster für Quantentechnologien einen Beitrag leisten können."

Weitere Handlungsempfehlungen der Roadmap sind beispielsweise der Aufbau von Kompetenznetzwerken, die den gezielten Austausch und Wissenstransfer zwischen Wissenschaft und Industrie fördern, spezielle Aus- und Weiterbildungsformate und der Aufbau einer Dachorganisation, der Deutschen Quantengemeinschaft (DQG), die übergreifend die Umsetzung der Gesamtstrategie sicherstellen soll.

Doch das wohl einprägsamste Zitat des Papiers ist das folgende: "Die Welt wartet nicht auf Deutschland. Wir müssen jetzt starten." Werden die Vorschläge aus der Roadmap von der Bundesregierung angenommen, können bald erste Maßnahmen umgesetzt werden.

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