Quan­ten­com­pu­ting

Darstellung des Qubit-Konzepts.
Dar­stel­lung des Qubit-Kon­zepts.
Credit: © Jackie Niam – stock.adob.com

Darstellung des Qubit-Konzepts.

Qubits (Quan­ten­bits) sind die ele­men­ta­ren Re­chen­ein­hei­ten ei­nes Quan­ten­com­pu­ters. Das Qubit ist das quan­ten­me­cha­ni­sche Pen­dant zum klas­si­schen, di­gi­ta­len Bit.

Sie gelten als eine der bahnbrechendsten Technologien der Zukunft: Quantencomputer. Mit ihnen können Berechnungen und Simulationen durchgeführt werden, für die herkömmliche Computer mitunter Jahre brauchen würden. Mit ihrem Einsatz könnten zum Beispiel in Bereichen wie der Daten- und Informationsverarbeitung mit neuartigen Quantenalgorithmen und Verschlüsselungstechniken, der künstlichen Intelligenz, der Materialforschung, der Medizin, der Grundlagenforschung in Physik, Chemie und Biologie sowie im Verkehrs- und Energiebereich und beim Betrieb von Satelliten erhebliche Fortschritte erzielt werden. Aber der Weg hin zu einem programmierbaren, fehlertoleranten Quantencomputer ist noch lang. Bisher gibt es weltweit noch keine kommerziellen Quantencomputer, welche wirtschaftlich relevante Fragestellungen schneller lösen als klassische Rechner. Um Quantencomputer zu realisieren, gibt es verschiedene Ansätze, deren Vor- und Nachteile erst noch untersucht werden müssen. Deshalb ist es wichtig, die notwendigen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten weiter voranzutreiben und zu verstärken.

Die Basis jedes Quantencomputers liegt in der Quantenphysik. Sie ist schon lange Teil unseres Alltags. Die Quantenphysik bildet die Grundlage für zahlreiche Schlüsseltechnologien - ob Computer, Smartphones, Fernseher, Laser, Leuchtdioden, Navigationsgeräte oder Kernspintomographen – sie alle sind Geräte, die nach den Prinzipien der Quantenphysik funktionieren. Moderne Kommunikation, Datenübermittlung und generell Elektronik wären ohne die Ausnutzung quantenphysikalischer Effekte nicht denkbar.

Mit der Quantenmechanik können die physikalischen Vorgänge in der Welt des Allerkleinsten, auf atomarer Ebene, beschrieben werden. Die Quantenphysik ermöglicht neuartige Technologien, die ganze Industriezweige entstehen lassen könnten. Durch die weitergehende Forschung im Bereich der Quantentechnologien soll die bisherige Nutzung von Quanteneffekten weitergeführt werden, um sie gezielt in alltägliche Anwendungen zu bringen.

Eine solch bedeutende und weitreichende Anwendung ist das Quantencomputing. Bestimmte umfangreiche Berechnungen, bei denen zahlreiche Bedingungen in einem komplexen wechselseitigen Zusammenspiel berechnet werden müssen, lassen klassische Computer an ihre Grenzen stoßen. Ein Quantencomputer arbeitet dahingegen anders: Seine Quantenbits, kurz Qubits, folgen den Gesetzen der Quantenphysik. Sie können, im Gegensatz zu den Bits der herkömmlichen Digitalrechner, die nur die zwei Zustände 0 und 1 kennen, unendlich viele Zwischenwerte annehmen. Dies erlaubt neuartige Algorithmen, die auf konventionellen Computern nicht möglich sind. Als Qubit dienen dabei quantenphysikalische Objekte, wie beispielsweise Elektronen in Halbleiterstrukturen oder supraleitenden Schleifen, Atome, Ionen oder Lichtquanten.

Die DLR-Initiative Quantencomputing

In Deutschland gibt es eine starke wissenschaftliche Basis für Quantentechnologien. Das Grundlagenwissen zum Bau eines Quantencomputers ist hier vor allem in universitären und anderen wissenschaftlichen Arbeitsgruppen vorhanden. Um dies nutzen zu können, ist die enge Anbindung von Forschung und Wissenschaft an Industrie und Wirtschaft nötig.

Wirtschaft und Industrie haben nachweislich ein sehr starkes Interesse an der Entwicklung von Quantencomputern in Deutschland, da so die Nutzungs- und Patentrechte auch bei den entsprechenden Industrie- und Forschungspartnern verbleiben. Die Fortschritte im Quantenengineering der letzten Jahre lassen Quantencomputer realisierbar erscheinen. Gleichwohl bedarf es hierfür einer konzertierten Initiative, die die vorhandenen anwendungsnahen Kompetenzen in der Quantentechnologie bündelt und mit Partnern aus der Wirtschaft eine industrielle Basis aufbaut. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) hat dem DLR Mittel zur Verfügung gestellt, um deutsche Quantencomputer zu entwickeln und das damit verbundene ökonomische Umfeld aufzubauen. Industrie, Forschungseinrichtungen und Start-ups werden unter der Leitung des DLR in die Initiative eingebunden.

Die Initiative wird Hardware, Software, Anwendungen und die notwendige Zulieferkette entwickeln. Neben den bereits in Deutschland verfolgten Technologien zum Bau eines Quantencomputers (Atom- oder Ionenfallen, supraleitende Schaltkreise oder andere geeignete Quantensysteme als Qubits) sollen auch weitere komplementäre Ansätze verfolgt werden.

Deutschlandweit sollen Industriepartner, Start-ups und Forschungsgruppen eingebunden und die Gründerszene in der Quantentechnologie aktiviert werden. Zudem wird sowohl auf nationaler als auch auf europäischer Ebene ein kontinuierlicher Austausch mit anderen Konsortien stattfinden. Große Innovationszentren der Initiative werden voraussichtlich Hamburg und Ulm sein.

Quantentechnologie im DLR

In den letzten Jahren sind im DLR zwei eigene Institute für den Bereich der Quantentechnologien neu aufgebaut worden: Das Institut für Quantentechnologien in Ulm sowie das Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik in Hannover. Beide Institute sind zum Beispiel am Experiment BECCAL (Bose-Einstein Condensate and Cold Atom Laboratory) als Grundlagenexperiment für Quantensensoren auf der Internationalen Raumstation ISS beteiligt. Mit dem Galileo Kompetenzzentrum existiert im DLR eine Einrichtung, die die Forschungsergebnisse der Quantentechnologie zusammen mit der Industrie in den kommerziellen Markt für GNSS-Dienste (Globale Satelliten-Navigationssysteme) überführt.

Darüber hinaus arbeiten weitere DLR-Institute seit vielen Jahren im Bereich der Softwareentwicklung sowie Anwendungsanalyse für Quantencomputer, so zum Beispiel das Institut für Softwaretechnologie in Köln oder das Institut für Kommunikation und Navigation bei München. Die Fragestellungen umfassen unter anderem Post-Quantum-Kryptographie, Quantum-Machine-Learning, Planungsoptimierung für Satellitenbetrieb und Simulation chemischer Redox-Reaktionen für die Entwicklung von Batteriesystemen. Die adressierten Themen haben stets auch einen industriellen Anwendungshintergrund. Durch die eigene Forschung hat das DLR in allen seinen Schwerpunkten Luftfahrt, Raumfahrt, Energie, Verkehr, Sicherheit und Digitalisierung/KI einen deutlichen Bedarf für den zukünftigen Einsatz von Quantencomputern.

Beteiligte DLR-Institute (u.a.):

DLR-Institut für Quantentechnologien

DLR-Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik

DLR-Institut für Softwaretechnologie

DLR-Institut für Technische Thermodynamik

DLR Raumflugbetrieb und Astronautentraining

DLR-Institut für Werkstoff-Forschung

DLR-Institut für Kommunikation und Navigation

DLR-Institut für Datenwissenschaften

DLR-Institut für Optische Sensorsysteme

DLR-Institut für KI-Sicherheit

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