Quantentechnologien

Quanteneffekte ermöglichen vielfältige neue technologische Anwendungen. Daher fördert die Bundesregierung den Übergang der Quantentechnologien von der Grundlagenforschung bis hin zur Vermarktung mit 650 Millionen Euro in dieser Legislaturperiode.

Quantentechnologien Infografik
Die Infografik zeigt die Funktions- und Anwendungsbereiche von Quantentechnologien der zweiten Generation.  © BMBF

1 oder 0, an oder aus: So einfach lassen sich die Zustände beschreiben, die heutige Computer zum Rechnen brauchen; und diese Zustände haben zu jedem Zeitpunkt einen einzigen Wert. Quantencomputer funktionieren prinzipiell anders als solche digitalen Rechner. Die kleinsten Recheneinheiten eines Quantencomputers können mehrere Werte gleichzeitig annehmen – bei diesem Quanteneffekt spricht man von Verschränkung. Maschinenbefehle wirken sich gleichzeitig auf all diese Werte aus. So könnte der Quantencomputer künftig deutlich schneller rechnen. Mit dem neuen Programm „Quantentechnologien – von den Grundlagen zum Markt“ fördert das Bundesforschungsministerium Technologien, die gezielt solche Quanteneffekte ausnutzen.

Quantentechnologien werden die technischen Lösungen von heute deutlich übertreffen

Das Potenzial der Quantentechnologien ist enorm – ob für die Informationsübertragung und -verarbeitung, für höchstpräzise Mess- und Abbildungsverfahren oder für die Simulation komplexer Systeme. Wissenschaftler sprechen davon, moderne Kommunikationsnetzwerke sicher zu machen, Magnetfelder des Gehirns zu vermessen und Krankheiten wie Alzheimer oder Parkinson besser zu verstehen, den Verkehrsfluss zu optimieren und Staus zu vermeiden oder neue Werkstoffe und Katalysatoren allein auf der Grundlage von Simulationen zu entwickeln. Quantentechnologien schaffen dafür die Basis und werden die technischen Lösungen von heute deutlich übertreffen. Zurzeit steht das Feld allerdings noch am Anfang der Technologieentwicklung.

650 Millionen Euro für die Erforschung der Quantentechnologien

Das Ziel der Bundesregierung ist, dass deutsche Institute und Unternehmen die sogenannte zweite Quantenrevolution maßgeblich mitgestalten und eine führende Rolle bei dem Transfer in die Anwendung und Vermarktung übernehmen. Daher bündelt die Bundesregierung unter der Federführung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung ihre Kräfte, um die Entwicklung der Quantentechnologien in Deutschland strategisch voranzutreiben. Das Rahmenprogramm „Quantentechnologien – von den Grundlagen zum Markt“ definiert die Ausgangslage sowie die Ziele und erläutert die konkreten Maßnahmen bis 2022.

Im Zentrum stehen dabei folgende Maßnahmen:

  1. Die Forschungslandschaft der Quantentechnologien ausbauen
  2. Forschungsnetzwerke für neue Anwendungen schaffen
  3. Leuchtturmprojekte für industrielle Wettbewerbsfähigkeit etablieren
  4. Sicherheit und technologische Souveränität gewährleisten
  5. Die internationale Zusammenarbeit gestalten
  6. Die Menschen in unserem Land mitnehmen

Insgesamt stellt die Bundesregierung in der aktuellen Legislaturperiode 650 Millionen Euro für die Erforschung der Quantentechnologien bereit.

Schwerpunkte der Forschung und Entwicklung in Deutschland

Quantencomputer

Im Unterschied zu den Bits von Digitalrechnern sind die kleinsten Recheneinheiten der Quantencomputer, die „Quantum Bits“ (Qubits), in der Lage, sich untereinander nach speziellen Gesetzmäßigkeiten der Quantenmechanik zu verbinden und damit einen wesentlich komplexeren Gesamtzustand anzunehmen. Die Realisierung von Quantenrechnern und -simulatoren ist jedoch mit außerordentlichen Herausforderungen verbunden. Derzeit werden daher noch sehr unterschiedliche Hardware-Plattformen und Architekturen für Quantencomputer diskutiert.

Quantenkommunikation

Ein zentrales Thema der Quantenkommunikation ist die Sicherheit des Datentransfers. Bei der Quantenkryptografie oder Quantenschlüsselverteilung erzeugt man den Schlüssel zu einer geheimen Information auf Basis von einzelnen Quantenzuständen. Im Unterschied zu gebräuchlichen kryptographischen Verfahren beruht die Sicherheit hier auf einem physikalischen Naturgesetz und nicht auf einem mathematischen Prinzip. Damit werden erstmals Kommunikationsverbindungen möglich, deren Sicherheit physikalisch basiert und nicht lediglich mathematisch berechnet ist.

Quantenbasierte Messtechnik

Quantenzustände sind gegenüber Umwelteinflüssen sehr fragil. Dies bietet eine hohe technische Messempfindlichkeit. Mit Quantensystemen lassen sich daher physikalische Größen wie Druck, Temperatur, Position, Zeit, Geschwindigkeit, Beschleunigung, elektrische und magnetische Felder oder Gravitation extrem präzise messen. Atomuhren auf der Basis atomarer Quantenzustände dienen bereits seit Jahrzehnten als Zeitreferenz für Präzisionsmessungen, wie beispielsweise im Rahmen des europäischen Galileo-Navigationssystems oder des Global Positioning Systems (GPS) zur Navigation.

Basistechnologien für Quantensysteme

Aktuell werden in Deutschland Investitionen in einem Umfang von ca. 100 bis 150 Mio. Euro im Jahr für Laborausstattung im Bereich der Quantentechnologien getätigt. In den letzten Jahren entstand in Deutschland überwiegend aus der universitären Grundlagenforschung heraus bereits eine Anzahl kleiner und mittlerer Unternehmen, die in diesem speziellen, meist auf hochspezialisierte Kleinserien ausgerichteten, internationalen Markt erfolgreich tätig sind.