Quantentechnologie: Immense Potentiale, die in die Wirtschaft wollen
Vor einigen Jahren habe ich öfter über Quantencomputing berichtet. Doch dann, schien es mir, wurde es ruhig um das Thema, zumindest in den Leitmedien. Ich dachte mir, dass die Technologie wohl noch etwas brauche. Umso erfreuter war ich, als die Innovationsagentur Rheinland-Pfalz zu einem ‚Tech Table Quantentechnologie‘ einlud. Und zwar ins 42 Kaiserlautern: Zum Stand der Dinge und Austausch zwischen Wissenschaft und mittelständischer Wirtschaft.
Viel habe ich erfahren, allerhand ist passiert in den vergangenen Jahren in Bezug auf Quantentechnologie. Auch Fördergelder fließen. Bereits im Foyer des 42 habe ich einiges über Quantensensorik erfahren und deren Streben in die Praxis, Ein junger Wissenschaftler der RPTU hat mir erzählt, dass sein Forschungsprojekt schon seit 2017 läuft. Später bei den Vorträgen habe ich erfahren: Die Quantensensorik ist eines der großen Potentiale der Technologie.
Das Ziel: Vertreter aus Wissenschaft und mittelständischer Wirtschaft zusammenführen
Das Engagement ist stark, was noch fehlt, ist der Schritt in die Anwendung, also in die Wirtschaft. Insbesondere zu den kleinen und mittleren Unternehmen, KMU. Und genau das will die Innovationsagentur RLP forcieren. Eingeladen waren daher Wissenschaftler und Wirtschaftsvertreter, zur Information und späterem Austausch und vielleicht ersten Annäherungen.
Das 42 Kaiserslautern: Nah am Bürger
Mit der Quantenphysik habe ich mich schon einmal, 2025, ebenfalls im 42 Kaiserslautern, vertraut gemacht, soweit das ein Laie kann. Wer nicht aus Kaiserslautern kommt: Das 42 ist ein Innovationszentrum, in dem die Gäste, ein breites Publikum, mit neuen Entwicklungen experimentieren können und in Wissenschaften und Technologien eingeführt werden: Mein Beitrag: https://www.technikverstndlich.de/post/42_kaiserslautern
Einführung in die Quantentechnologie
Die Einführung ins Thema hatte Dr. Pascal Halffmann vom Fraunhofer Institut übernommen. Seine Ausführungen bildeten die Basis für das, was folgte bei der Veranstaltung.
Bits kennen wir, die kleinsten Informationseinheiten, wir wissen ebenfalls, dass sie immer nur als 0 oder 1 auftreten. Anders bei den Quantenbits. Sie können beide Werte 0 und 1 gleichzeitig annehmen: Tragen als Superposition also beide Zustände in sich. Weiterhin können sie quantenverschränkt sein, das heißt, der Zustand des einen ist mit dem des anderen eng verknüpft.
Wie nun kann man diese Voraussetzungen nutzen?
Mit Quantentechnologie Rechnen, Messen, Kommunizieren
Drei Hauptrichtungen verfolgt die Quantentechnologie:
Rechnen, also Quantencomputing arbeitet mit Qubits. Die erwähnte Superposition, das gleichzeitige Auftreten unterschiedlicher Zustände, hat einen großen Nachteil, sie lässt nur Wahrscheinlichkeiten zu. Bisher. Denn den Forschern ist es gelungen, 'perfekte Wahrscheinlichkeiten' zu schaffen, wie es Dr. Halffmann ausdrückt. Nur so viel: Genutzt wird ein so genanntes CNOT-Gatter, vergleichbar einer Lochkarte, das alle Zustände gleichzeitig berechnet. Dadurch gelange man zu einem gemeinsamen Durchschnitt.
Zur physikalischen Umsetzung der Hardware werden zum einen Supraleiter auf einem Mikrochip genutzt, sie leiten Strom ohne Widerstand. Weiterhin frei schwebende Ionen oder Neutralatome als Qubits.
Da die physikalischen Quantencomputer noch sehr störanfällig sind, wird ein Übergang vom physikalischen zum logischen Qubit angestrebt. Das heißt mehrere Qubits werden zusammengeschlossen – zu einem perfektes Qubit, einem so genannten logischen Qubit.
Bei der Quantensensorik werden hochempfindliche Sensoren genutzt. Häufig handelt es sich um winzige Diamanten. Sie sind überaus genau, da sie auf atomarer Ebene messen. Erfasst werden sie optisch. – In der Natur verfügen Zugvögel über solche Sensoren: So finden die Reisenden auch über das Magnetfeld der Erde ihren Weg.
Die Quantenkommunikation wiederum nutzt eine einzigartige Verschlüsselung: Eine Nachricht wird über die Verschränkung von zwei Qubits übertragen. Wenn jemand versucht, abzuhören, den Dialog zwischen Sender und Empfänger im abgeschotteten Medium zu lesen, verändern sich die Teilchen unmittelbar. Dass sie nun beschädigt sind, darüber werden beide kommunizierende Personen unterrichtet.
Die enormen Potentiale der Quantentechnologie
Die physikalische Umsetzung von Quantencomputing gibt es bereits mit einem Supraleiter bei IBM. Die Firma Helios nutzt die Ionenversion und Neutralatome wiederum das Unternehmen QuEvaAqua.
In der Logistik weltweit Schiffsrouten optimieren
Einsetzbar sind die Quantencomputer zum Beispiel im Energiesektor, um Speicher zu planen, in der Logistik, um weltweit Routen zu optimieren, etwa bei Schiff und LKW.
Quantensimulation fordert auch die klassischen Methoden heraus
Mit Quantencomputing können in der Biologie, der Medizin, Moleküle oder ganze Wirkstoffe simuliert werden. Ein nicht geplanter Effekt: Die klassischen Methoden holen auf, weil deren Wissenschaftler sich zum Optimieren herausgefordert fühlen.
Zusammenarbeit von Quantentechnologie und künstlicher Intelligenz
Maschinelles Lernen, also die Kombination mit künstlicher Intelligenz, QuKI, ist noch in einer sehr frühen Phase. Möglich wäre etwa das Erkennen von Kreditkartenbetrug. Überhaupt das Aufspüren komplexer Muster und überaus schnelles Trainieren.
Quantensensorik - Vulkane und Grundwasser beobachten
Auf dem Ätna wird bereits ein Quantengravimeter zur Überwachung des aktiven Vulkans eingesetzt. Möglich ist weiterhin die Beobachtung von Grundwasser und Hohlräumen. Das Navigieren mit dem Magnetfeld, Messungen in der Medizin, etwa Hirnströme, Blutwerte. Zerstörungs- und verlustfreies Messen von Material. Navigieren mit dem Erdmagnetfeld - wie die Zugvögel.
Quantentechnologie ein Top-Thema auf der deutschen Hightech-Agenda
Kai Sandmann vom BMFTR (Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt) bestätigte, dass Quantentechnologie auch für die Regierung ein Top-Thema ist, auf der Hightech-Agenda steht, als eine der sechs Schlüsseltechnologien. Im Fokus der Anwendungen stehen das fehlerkorrigierte Quantencomputing. Frühe Diagnose in der Medizin. Kommunikation. Und das Ausbilden von Fachkräften.
Forschungszentren gibt es bereits in Gerching und Jülich Um die Technologie der Wirtschaft nahe zu bringen, arbeite man zusammen mit SPRIND, der Bundesagentur für Sprunginnovationen. Natürlich geht es auch um Quantenkommunikation. Neue Lehrstühle sollen zudem geschaffen werden, um Fachkräfte auszubilden.
QUIP: Forschung und Ausbildung in Rheinland-Pfalz
Prof. Herwig Ott von der RPTU (Rheinland-Pfälzische Technische Universität) stellte QUIP vor, die 'Quanteninitiative Rheinland-Pfalz'. Beteiligt sind: Johannes-Gutenberg-Universität Mainz (JGU), das DFKI (Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz) und das Fraunhofer-Institut in Kaiserslautern. Dabei geht es – neben den Forschungsaufgaben – auch um die Ausbildung von Nachwuchs, etwa Fachkräfte für die Wirtschaft.
Sinnvolle Algorithmen für Quantencomputing
Auch an den universellen Herausforderungen werde gearbeitet. Etwa am Algorithmusproblem: In der Quantentechnologie sei es schwierig, erläuterte Prof. Ott, mathematisch sinnvolle und praktisch nutzbare Algorithmen zu schreiben. Wo bei herkömmlichen Computern Millionen von Softwareprogrammen existierten, gebe es in der Quantenwelt bisher nur eine Handvoll grundlegender mathematischer Algorithmen. Solche, die auch einen echten Vorteil bei der Geschwindigkeit bieten. Daran arbeiten bei QUIP in Rheinland-Pfalz sowohl Mathematiker und als auch Physiker. Mit hybriden Algorithmen, einer Kombination aus herkömmlichen Rechnern und Quantencomputern: Der eine übernimmt die 'simple' Bearbeitung der Daten, der Quantencomputer wird nur für kleine, ganz spezielle Rechenschritte herangezogen.
'Berechnen, was man bisher noch nicht konnte'
Fraglos gebe es in der Sensorik ein gewaltiges Potential, berichtet Prof. Ott. Etwa in der Messtechnik oder der Neurochirurgie. Das kommt uns ja schon bekannt vor. Doch für ein wirklichen Vorteil werde die Industrie gebraucht. Zudem: Ja, die Investitionen seien gewaltig. Gewaltig seien aber auch die Vorteile der Quantensensorik.
Nicht der schnellere Computer sei der Vorteil, sondern ‚etwas berechnen, was man bisher noch nicht konnte‘. Und dafür braucht man Fragestellungen aus der Wirtschaft.
Praxisorientierte Ausbildung für die Industrie
Was die Ausbildung für die Industrie betrifft. Ein Master-Student der Physik oder Informatik kann sich heute schon in der Praxis qualifizieren. Er arbeitet dabei zum Beispiel am Fraunhofer ITWM an hybrider Quanten-Bildverarbeitung oder Optimierungsalgorithmen für die Industrie. So wird er direkt für den Arbeitsmarkt in Rheinland-Pfalz qualifiziert. Auch für KMU.
Tisch-Inseln: Vertreter von Wirtschaft und Wissenschaft tauschen sich unmittelbar aus
Nach den Präsentationen und Einführungen von 'Tech Table Quantentechnologie' der Innovationsagentur Rheinland-Pfalz setzten sich die Vertreter von Wissenschaft und Wirtschaft an die vorbereiteten Tisch-Inseln im 42. Aufgeteilt in fünf Interessensgebiete, zum Beispiel Chemie, Pharma und Materialentwicklung, Energie und Finanzen, IT-Sicherheit und quantensichere Verschlüsselung.
Daran habe ich nicht mehr teilgenommen. Ich kenne also keine Ergebnisse. Doch ich werde das bei der Innovationsagentur RLP nachfragen und demnächst hier ergänzen.
[By the way: Die Reportage habe ich ohne KI-Unterstützung verfasst.]
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