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)

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.

Quantentechnologie erklärt

Was ist Quantentechnologie eigentlich? Warum sind Quantentechnologien so relevant? Antworten auf all diese Fragen lesen Sie in unserem großen Überblick: "Das müssen Sie über Quantentechnologie wissen".

 

Und in dieser Rubrik finden Sie alle unsere Artikel zur Quantentechnologie.

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?

Geballtes Quantencomputer-Wissen

Wie funktioniert ein Quantencomputing genau? Wofür lassen sich diese Art Computer nutzen? Das erklären wir Ihnen in diesen beiden Artikeln:

Wer wissen will, wie Quantencomputer die Industrie voranbringen können, liest hier weiter: "Quantencomputer: Was sich deutsche Großunternehmen erhoffen".

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.

Aktuelles aus der Quantenwelt

Sie möchten auf dem Laufenden bleiben, was sich in der Welt der Quantentechnologie bewegt? Dann besuchen Sie unseren Newsblog zum Thema – hier sammeln wir für Sie die wichtigsten Meldungen!

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.

Zukunftstechnologien verstehen!

Die Technik entwickelt sich so schnell weiter wie noch nie. Neue Technologien halten ständig Einzug in unserem Leben. Natürlich heißt das nicht, dass alte Technologien verschwinden werden, aber die Relevanz wird sich verschieben. Welche Technologien und Konzepte wichtiger werden, was der aktuelle Stand ist und worin Chancen für die Industrie liegen, lesen Sie in unserer Rubrik "Zukunftstechnologien" - hier entlang!

 

Einen Überblick über die relevantesten Zukunftstechnologien und deren industrielle Einsatzmöglichkeiten hat unsere Redakteurin Julia Dusold in diesem Kompendium für Sie zusammengefasst: "Das sind die wichtigsten Zukunftstechnologien".

 

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