HORIZONTE nachgelesen!
Im Internet durch das Quantenuniversum

Bits, Qubits, Photonen, Elektronen, Quantencomputer und Quantenökosystem. Was ist das eigentlich alles? Und warum wird um Quantentechnologien so ein Hype gemacht? Das erklärt die neueste Ausgabe der acatech HORIZONTE. Für alle Neugierigen und Wissbegierigen haben wir in diesem Logbuch-Post weiterführende Informationen gesammelt – von Presseartikeln über Podcasts bis hin zu kurzen Erklärvideos. Viel Spaß beim Stöbern!

Überschall-Jet vs. Zeppelin. So groß ist in etwa der Unterschied in der Leistungsfähigkeit zwischen einem normalen PC und einem Quantencomputer. Das erklärt auch, warum es so einen großen Hype um den Quantencomputer gibt. Quantencomputer sollen in Zukunft Probleme lösen können, an denen selbst die größten Supercomputer, die es derzeit gibt, scheitern.

Was genau ein Quantencomputer überhaupt ist, worin der Unterschied zwischen Bits und Qubits liegt und warum es so schwierig ist einen Quantencomputer zu bauen: quarks, das Wissenschaftsmagazin des WDR, Dr. Watson vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), oder auch Netzteil – der Tech-Podcast des Spiegel geben Antworten auf diese Fragen.

Quantencomputer werden herkömmliche Computer aber voraussichtlich nicht ersetzen. Daraus ergeben sich eine ganze Reihe neuer Herausforderungen – zum Beispiel in Bezug auf Datenschutz. Denn ein Quantencomputer kann theoretisch jede herkömmliche Verschlüsselungstechnologie knacken. Deshalb arbeitet schon heute Experten, zu denen auch acatech HORIZONTE Projektgruppenmitglied Jens Pöppelmann von Infineon zählt, in verschiedenen Projekten intensiv an der sogenannten Post-Quantenkryptografie.

In drei Minuten anstatt 10.000 Jahren. Was die Durchbrüche von Google, IBM und Co. im Quantencomputing bedeuten

Aktuell wird an verschiedenen Ansätzen für das Quantencomputing gearbeitet. Die Welt elektrisiert hat im Herbst 2019 Google mit der Präsentation eines Prototyps. Zwar löste der Quantencomputer mit 53 Qubits in rund drei Minuten nur eine „nutzlose“ Aufgabe, aber selbst dafür würde die aktuelle Computergeneration etwa 10.000 Jahre brauchen. Alle Details dazu gibt es im Digitech Podcast der F.A.Z.. Basierend auf der gleichen Technologie arbeitet auch IBM intensiv an der Entwicklung von Quantencomputern und hat bereits einen konkreten Zeitplan für die nächsten Entwicklungsschritte. Infineon hingegen ist an einem Projekt beteiligt, das Qubits nicht tiefkühlt sondern „einfängt“, in einer Ionenfalle. Die Marktreife ist für 2022 geplant. 2021 startet angeblich auch AWS mit dem Bau eines eigenen Quantencomputers – wir sind gespannt, auf welcher Technologiebasis!

Die Macht des Quantencomputing kann von Forschern und Unternehmen heute bereits getestet werden. Das „as-a-Service“, unter anderem von IBM, Microsoft oder zuletzt auch AWS, gibt Forschern und Unternehmen zum Beispiel die Möglichkeit, Quantenalgorithmen zu entwickeln und in Simulatoren zu testen.

Quantentechnologien sind mehr als Quantencomputing

Quantencomputing ist aber nicht die einzige spannende Quantentechnologie. Dazu zählen auch Quantenkommunikation, quantenbasierte Bildgebung, Quantenmetrologie und Quantensensorik. Einen Überblick über das breite Feld der Quantentechnologien in Deutschland bietet das BMBF, inklusive weiterer Erklärvideos von Dr. Watson zu jedem der Technologiefelder und Anwendungsbeispielen.

Während Forschungsdurchbrüche in der Quantenkommunikation die Realisierung eines abhörsicheren Quantennetzwerks langsam näher rücken lassen, ist die Forschung in den anderen Bereichen bereits ein gutes Stück weiter auf dem Weg zu einer kommerziellen Nutzung. Einem deutschen Forscherteam, das die Physikalisch-Technische Bundesanstalt koordiniert, ist es beispielsweise gelungen, eine optische Atomuhr in Transportgröße zu bauen und damit unter anderem präzisere Satellitennavigation oder Geoforschung zu ermöglichen. Gerade im Bereich Quantensensorik muss Deutschland sich im internationalen Wettbewerb nicht verstecken, zählt gar zu den Technologieführern! So haben beispielsweise die acatech Senatsmitglieder Trumpf und Sick kürzlich angekündigt, Quantensensoren bald kommerziell fertigen zu können und damit die Voraussetzung für Innovationen in vielen anderen Bereichen und Branchen zu schaffen. Seit Februar 2021 arbeitet zudem das vom BMBF geförderte Verbundprojekt Q-Sens daran, Grundlagenforschung auf marktreife Produkte zu übertragen und höchstpräzise Sensorik sowohl für die Industrie als auch für den Consumer-Bereich zu entwickeln.

Förderprogramme von Bund, Ländern und EU sollen dem Standort Deutschland eine internationale Spitzenposition sichern

Global, aber auch innerhalb Deutschlands ist ein regelrechter Wettlauf um den ersten Quantencomputer entbrannt. Entscheidend, um die Zukunft der Industrie zu sichern und neue Abhängigkeiten zu vermeiden: eine zielgerichtete und ausreichende Förderung. Die Bundesregierung hat im letzten Jahr ein entsprechendes Rahmenprogramm formuliert und will im Rahmen des im Juni 2020 angekündigten Konjunkturpakets 2 Milliarden Euro in die Entwicklung eines Quantencomputers “Made in Germany” investieren. Eine entsprechende Strategie zur Fördermittelverteilung hat eine von der Bundesregierung eingesetzte Expertenkommission im Januar 2021 in Form einer ambitionierten “Roadmap Quantencomputing” erstellt. Die 16 Vertreter aus Wirtschaft und Wissenschaft formulieren in der Roadmap erstmals konkrete Ziele, die unter anderem durch den Aufbau von Hubs und Kompetenznetzwerken, die untereinander im Wettbewerb stehen, erreicht werden sollen. 1,1 Milliarden Euro aus diesem Topf werden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung in die Forschung für Quantencomputer und ein Netzwerk mit Anwendern aus Industrie und Grundlagenforschern fließen. Das Wirtschaftsministerium verteilt die restlichen 878 Millionen Euro. Besonders das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) profitiert davon und erhält 740 Millionen Euro. Zwei Konsortien aus industriellen Partnern und Start-Ups unter Federführung des DLR sollen einen deutschen Quantencomputer und die entsprechende Software entwickeln.

Auch auf Länderebene liegt der Förderfokus zumindest aktuell auf Quantencomputing. Während Niedersachen ebenfalls in die Entwicklung eines Quantencomputers eingestiegen ist, wollen Baden-Württemberg und Bayern neben der Forschung auch die Wirtschaft fördern und vielversprechende Technologie rasch in die kommerzielle Nutzung bringen. Gelingen soll dies in Bayern mithilfe der QuantenTech Vision Bayern, die im Oktober angekündigt wurde. Ein erster Meilenstein: die im Januar 2021 erfolgte Gründung des “Munich Quantum Valley” durch die Bayerische Akademie der Wissenschaften, die Fraunhofer-Gesellschaft, die Max-Planck-Gesellschaft und die beiden Münchner Universitäten zur Entwicklung eines Quantencomputers und eines leistungsfähigen Ökosystems.

Wissenschaft und Wirtschaft müssen enger zusammenarbeiten, um das Momentum, das auf dem noch kleinen Quantenmarkt entsteht, erfolgreich für den Standort Deutschland nutzen zu können. Auch das können Bund und Länder durch entsprechend gestaltetet Förderprogramme unterstützen. Öffnung der Universitäten für den Mittelstand, die Schaffung gemeinsam nutzbarer Ressourcen, Anpassungen bei der Ausbildung junger Fachkräfte – das waren erste Lösungsansätze, die Vertreter aus Wissenschaft, Mittelstand und Start-Up Szene bei einem acatech am Dienstag diskutiert haben.

Stand: 07.06.2021

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HORIZONTE nachgefragt! im Gespräch mit Prof. Dr. Joachim Ullrich

INNEN-Sichten – acatech HORIZONTE im Gespräch mit der Leiterin der Intel Labs Europe Dr. Astrid Elbe