Quantentechnologie: Riesiger Markt für die kleinsten aller Teile

Die größten Hoffnungen für den technologischen Fortschritt jenseits von Künstlicher Intelligenz beruhen auf den kleinsten Teilen der Materie. Wo stehen wir aktuell bei Quantencomputing, -sensorik, -kommunikation und -imaging? Und welche Rolle wird Europa bei dieser Zukunftstechnologie spielen?

Durch den Hype um KI ist die Quanteninformatik in den vergangenen Jahren etwas in den Hintergrund der öffentlichen Wahrnehmung gerückt. Das bedeutet jedoch nicht, dass es keine Fortschritte in der Forschung gab. Quantencomputern wird nach wie vor das Potenzial einer revolutionären Technologie zugeschrieben – unter anderem auch vom aktuellen „Tech Trend Radar“ von ERGO und Munich Re. Allerdings sind größere Quantenprozessoren noch weit von einer generellen Marktreife entfernt, da es bei der technischen Umsetzung noch einige Herausforderungen zu lösen gibt.

Investitionen in Quantentechnologien steigen rasant

Das große Potenzial dieser Technologien ist schon lange bekannt, und die Forschung und Entwicklung hat bereits eine Vielzahl von Geräten hervorgebracht, die die Gesetze der Quantenmechanik nutzen. Dazu gehören unter anderem Laser, Atomuhren oder die Magnetresonanztomografie, die heute in der medizinischen Versorgung als bildgebendes Verfahren einen enormen Einfluss besitzt. Es handelt sich also nicht um eine rein theoretische Diskussion.

Quantencomputing ist dabei eine wesentliche Entwicklungsrichtung der kommenden Jahre. Der „Quantum Technology Monitor 2025“ von McKinsey prognostiziert für den Markt der Quantentechnologien bis 20235 weltweit ein Volumen von 97 Milliarden US-Dollar. Neben dem Quantencomputing werden wesentliche Innovationen in der Quantenkommunikation und Quantensensorik erwartet.

Stand der Entwicklung: Diese Probleme müssen noch gelöst werden

Instabilität: Qubits werden durch externe Einflüsse wie Temperatur, Vibrationen oder elektromagnetische Strahlung beeinflusst, wodurch ihr Zustand verändert werden kann. Dadurch kommt es zu Fehlern in den Berechnungen und zur Instabilität des Quantensystems. Die Störanfälligkeit steigt zudem mit der Zahl der eingesetzten Qubits.

Mögliche Lösungen: Aufwändige Fehlerkorrekturmechanismen und Redundanzen können die Fehler ebenso reduzieren wie eine Kühlung auf extrem niedrige Temperaturen.

Eine innovative Idee stammt von einem Forscherteam der Oxford-Universität: Es hat ein Verfahren entwickelt, bei dem mehrere kleinere Quantencomputer per Licht-Datenübertragung miteinander verbunden werden. Dieses als „Quantenteleportation” bezeichnete Verfahren erlaubt somit größere Qubit-Verbundnetze, ohne dass die Instabilität steigt.

Weitere Herausforderungen:

Kohärenzzeit: Ein Qubit kann seinen Quantenzustand bisher nicht sehr lange halten (Kohärenzzeit). Das schränkt die Zahl der Rechenoperationen ein.

Skalierbarkeit: Bislang lassen sich Quantensysteme nicht beliebig mit Qubits erweitern. Das wäre jedoch für komplexe Anwendungen notwendig.

Umweltbedingungen: Um die Qubits möglichst stabil zu halten, müssen sie auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt heruntergekühlt werden.

Kosten: Die Summe der Herausforderungen führt zu sehr hohen Entwicklungs- und Baukosten, die eine breite Markteinführung verhindern.

Quantenkommunikation verspricht ein neues Maß an Sicherheit

Bei der Quantenkommunikation geht es um neue Formen der digitalen Datenübertragung, die sich durch eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit und eine hohe Sicherheitsstufe auszeichnen. Dabei sollen Informationen in den Quantenzuständen von Photonen kodiert und übermittelt werden. Jeder Abhörversuch hätte einen unwiderruflichen Einfluss auf die Quantenzustände und wäre somit sofort erkennbar. Forscher erhoffen sich von der Quantenkommunikation daher eine absolut sichere Datenübertragung.

Die geopolitische Bedeutung einer so sicheren Datenübertragung ist immens. Wer es zuerst schafft, ein valides Quantenkommunikationsnetzwerk aufzubauen, verschafft sich einen großen Vorteil für die nationale Sicherheit. Ein Quantennetzwerk könnte kritische Einrichtungen wie Regierungsbehörden, Krankenhäuser, Energiesysteme und andere wichtige Infrastrukturen vor Cyberangriffen schützen.

Quantensensorik verspricht ein neues Maß an Präzision

Ein gutes Beispiel hierfür sind Atomuhren. In Deutschland werden beispielsweise seit 1991 alle Funkuhren von einer Atomuhr in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig mit präziser Zeit versorgt. Ihre Abweichung beträgt etwa eine Sekunde in mehreren Millionen Jahren.

Quantensensoren nutzen die außergewöhnliche Empfindlichkeit quantenmechanischer Systeme gegenüber äußeren Einflüssen, um Messungen mit einer Präzision zu ermöglichen, die die Fähigkeiten klassischer Messverfahren bei Weitem übersteigt. Sie können winzigste Veränderungen in Magnetfeldern, Gravitationsfeldern, elektrischen Feldern oder sogar in der Zeit selbst erfassen.

Mögliche Anwendungsbereiche reichen von der medizinischen Diagnostik bis zum Aufspüren von Rohstoffen tief in der Erde. Medizinische Quantensensoren können beispielsweise einzelne Neuronen im menschlichen Gehirn überwachen und so eine frühzeitige Erkennung von Erkrankungen wie Morbus Alzheimer ermöglichen.

Quantenimaging revolutioniert die Bildgebung

Quantenimaging-Verfahren können Bilder mit deutlich weniger Licht aufnehmen, als es mit herkömmlichen Kameras bislang möglich ist. Auch hierfür gibt es zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten im medizinischen Sektor sowie in der Produktion und Biologie.

Die Magnetresonanztomographie, die bereits quantenmechanische Prinzipien nutzt, kann durch Quantenimaging-Verfahren erheblich verbessert werden. Das Fraunhofer-Institut spricht von einer Verbesserung der Empfindlichkeit um den Faktor 10.000. Damit wären Diagnosen deutlich schneller und präziser als bisher.

In der Biologie ist Quantenimaging unter anderem bei lichtempfindlichen Proben hilfreich. In der Halbleiterproduktion kann die Technologie zudem Defekte in Mikrochips erkennen, die für klassische optische Verfahren unsichtbar sind. Somit ist eine qualitative Überwachung von Bauteilen in Echtzeit noch während des Produktionsprozesses möglich.

Schlusswort: KI & Quantentechnologie

In Verbindung mit KI erhöht sich das ohnehin enorme Potenzial der verschiedenen Quantentechnologien nochmals stark. KI kann dabei eine wichtige Rolle bei der Entwicklung spielen und deren Geschwindigkeit maßgeblich erhöhen. KI wird aber auch das Nutzungsspektrum der Quantentechnologien erweitern und vielleicht zu Anwendungsmöglichkeiten beitragen, über die wir heute noch nichts wissen.

Text: Falk Hedemann