Quanten im Forschungslabor: „Das nächste große Ding“

Computer auf Basis der Quantentechnologie werden die derzeitigen Rechnersysteme ablösen. Die Bundesregierung will den Anschluss nicht verlieren.

Funktioniert bereits: der Quantencomputer „Q System One“ von IBM in Yorktown Heights, New York Foto: Misha Friedman/NYT/Redux/laif

BERLIN taz | Nur wenig verlautete über das Spitzentreffen Ende Januar im Kanzleramt. Wo sonst die großen Schicksalsfragen der Nation in Auto-, Agrar- oder Lebensmittel-Gipfeln zwischen Bundesregierung und Interessensvertretern verhandelt werden, ging es diesmal um ein wissenschaftliches Spezialthema, das kein einziges Kamerateam in den Tiergarten lockte. Die „Innovationspotenziale der Quantentechnologien der zweiten Generation“ standen auf dem Programm des dritten Innovationsdialogs von Politik, Wissenschaft und Wirtschaft unter Leitung von Kanzlerin Merkel. Die Runde war sich einig: Nach der Digitalisierung werden Quanten das nächste „große Ding“ der technologischen Entwicklung sein – mit derzeit noch aussichtsreichen Chancen für Deutschland.

Schon jetzt ist abzusehen, dass die digitale Computertechnik aus physikalischen Gründen an ihre Grenzen stößt: die Halbleiter-Bausteine werden nicht mehr die Menge an Elektronen transportieren können, die für die immer komplexeren Rechenverfahren in immer kürzerer Zeit benötigt werden. Die Lösung liegt in neuen Rechenverfahren auf Basis der Quantenphysik: Nicht mehr Elektronen, sondern Lichtteilchen – Photonen – sind dann die Träger der Information.

Die Forschung an Quantencomputern schreitet international schnell voran. Ein neues, 300 Millionen Euro schweres Programm des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), das Anfang Februar vorgestellt wurde, soll dafür sorgen, dass Deutschland nicht den Anschluss verliert.

Dabei ist das Quantencomputing nur eines von insgesamt vier Feldern, die den Quantentechnologien zugerechnet werden. Mit dazu gehören auch die quantenbasierte Sensorik, Bildgebung und Metrologie; die Quantenkommunikation und -kryptografie; sowie Quantensimulatoren. Die deutsche Forschungslandschaft nehme in den Quantentechnologien „in der Breite und in der Spitze international eine führende Rolle ein“, erklärten die Wissenschaftler, unter ihnen die Präsidenten von Max-Planck- und Fraunhofer-Gesellschaft beim Innovationsdialog, der von der Technikakademie Acatech organisiert worden war. Von Regierungsseite nahmen daran die Kanzlerin, die Bundesminister für Finanzen, Wirtschaft und Forschung sowie Kanzleramtsminister Braun teil.

Nötig sei, so das Ergebnis der Runde, „ein deutsches Quantentechnologie-Ökosystem mit internationaler Strahlkraft zu schaffen“, das die exzellenten Forscher noch stärker untereinander und mit der Wirtschaft vernetze. Dies solle durch die „Schaffung von Informationsangeboten, Plattformen für den gemeinsamen Austausch und Infrastrukturen zur niederschwelligen Erprobung der neuen Technologien“ gefördert werden.

Die Konkurrenz schläft nicht

Auch Geld ist im Spiel. Schon 2018 wurde mit dem Regierungsprogramm „Quantentechnologien – von den Grundlagen zum Markt“ ein Finanzrahmen von 650 Millionen Euro für die Quantenforschung der laufenden Legislaturperiode in Aussicht gestellt. Die großen Konkurrenten in USA und China operieren allerdings mit Milliardenbeträgen.

Mithilfe der Quantencomputer sollen Big Data und künstliche Intelligenz in neue Dimensionen vorstoßen, erwartet Reimund Neugebauer, Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft, der größten deutschen Wissenschaftsorganisation für angewandte Forschung. „Solche Fortschritte könnten die Tür zu neuen wissenschaftlichen Erkenntnissen und enormen Verbesserungen in den Lieferketten, der Logistik und der Modellierung von Finanzdaten und Problemen aus den klassischen Ingenieurswissenschaften öffnen“, skizziert Neugebauer den Nutzen. Aktuell sind 14 Fraunhofer-Institute auf dem Gebiet der Quantentechnologie aktiv.

Neugebauers neuester Coup: Mit Unterstützung des BMBF holt er den ersten funktionierenden Quantencomputer, den „Q System One“ des US-amerikanischen IT-Unternehmens IBM, nach Deutschland. Derzeit befinden sich die Vertragsverhandlungen, bei deren Einfädelung auch Bundeskanzlerin Angela Merkel eingeschaltet war, in der heißen Phase. Wird die Abmachung perfekt, kann der Quantenrechner Anfang 2021 starten. Standort ist die deutsche IBM-Zentrale im baden-württembergischen Ehningen. „Die Installation eines IBM Q Systems in Europa ist beispiellos und eröffnet neue Möglichkeiten bei der Entwicklung von Quantencomputing-Strategien am neu entstehenden Fraunhofer-Center unter vollständiger Datenhoheit nach europäischem Recht“, versichert Reimund Neugebauer. In welchem Umfang die Fraunhofer-Forscher Zugang zu der IBM-Maschine haben werden, ist Gegenstand der Verhandlungen, die noch im Februar abgeschlossen werden sollen.

Wird die Abmachung perfekt, kann der Quantenrechner Anfang 2021 starten

In einigen Fällen verlässt die Technik bereits das Experimentallabor. „In der deutschen Industrie gibt es ein großes Interesse am Thema Quantentechnologie und es gibt auch erste Schritte, die Industrieunternehmen in der Anwendung oder in der Entwicklung von Quantentechnologie gehen“, sagt Peter Leibinger, Chief Technology Officer (CTO) der Trumpf GmbH, dem weltweit größten Hersteller von Lasersystemen. Wenn die Technik die Nutzungsreife erreicht hat, womit Leibinger in zehn Jahren rechnet, könnte zu den Anwendern etwa „der Heimwerker zählen, der einen Quantensensor nutzt, um eine Wasserleitung in der Wand zu finden, oder der Neurologe, der mittels Quantenmagnetfeldsensorik Hirnströme messen“ könne.

Quantensensoren für Mikroskope

Bei Trumpf ist bereits ein erstes Quanten-Start-up mit derzeit 15 Beschäftigten entstanden. Die Firma „Q.ant“ produziert spezielle Laser für Quantentechnologien, wie etwa Sensoren. „Wir lasern dazu aus einem Kristall winzige Lichtkanäle heraus – das technologische Herzstück für Quantensensoren“, erklärt Leibinger das Verfahren. „Diese könnten in Zukunft neue Mikroskope ermöglichen, mit denen bisher unbekannte Zellanalysen machbar sind, beispielsweise in der Medizin“, sagt Leibinger, der mit seinem Praxiswissen als Sprecher des Programmausschusses Quantensysteme des BMBF auch direkt auf die Forschungspolitik einwirkt.

Auch im Nordwesten der Republik, im Forschungszentrum Jülich der Helmholtz-Forschungsgemeinschaft, herrscht Quanten-Fieber. Im vorigen Monat wurde hier das Helmholtz Quantum Center (HQC) als zentrales Technologielabor für das gesamte Forschungsspektrum für Quantencomputing eröffnet – finanziert mit 50 Millionen Euro aus dem Helmholtz-Etat.

Die Übertragung von Quanten-Informationen ist dagegen das Spezialgebiet einer Forschergruppe an der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU). Der Gruppe um den Physiker Harald Weinfurter gelang es kürzlich, Quanteneigenschaften über eine Distanz von zwanzig Kilometern per Glasfaser zu übertragen. „Die Entfernung stellt einen Meilenstein hinsichtlich der Verteilung von Quanteninformationen in großem Maßstab dar“, erklärt Weinfurter. Für ihr Experiment verwendeten die Forscher Rubidium-Atome, die nach gezielter Anregung Photonen mit einer Wellenlänge von 780 Nanometern auf die Reise durch die Glasfaser schicken. Später sind Experimente im Freiland geplant, um so das Kommunikationsnetzwerk mit neuen Knotenpunkten weiter auszubauen.