Quantentechnologien

Quantentechnologien - von den Grundlagen zum Markt Rahmenprogramm der Bundesregierung

Unsere Welt besteht aus Quanten. Die Elementarteilchen unterliegen eigenen Gesetzen und physikalischen Prinzipien, die unserem Alltagsverständnis scheinbar widersprechen. Manche Quantenphänomene sind seit mehr als 100 Jahren bekannt. Teilweise nutzen wir sie bereits, sie bilden oft die Basis für moderne Technik wie Mikrochips, Breitbandinternet oder Satellitennavigation – Quantentechnologien der ersten Generation. Effekte wie Verschränkung und Überlagerung werden erst heute technologisch nutzbar und bieten das Potenzial für völlig neue technische Lösungen – Quantentechnologien der zweiten Generation.

Um die Entwicklung der Quantentechnologien in Deutschland strategisch voranzutreiben, bündelt die Bundesregierung unter der Federführung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung ihre Kräfte. Das Rahmenprogramm „Quantentechnologien – von den Grundlagen zum Markt“ definiert Ausgangslage sowie Ziele und erläutert die konkreten Maßnahmen bis 2022. Insgesamt stellt die Bundesregierung in der aktuellen Legislaturperiode 650 Millionen Euro für die Erforschung der Quantentechnologien bereit.

Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts

Schon heute verwendet fast jeder täglich Quantentechnologien der ersten Generation, zum Beispiel Computer, Datennetze, medizinische Bildgebung. Denn Bauteile wie Transistoren, Dioden und Laser nutzen Prinzipien der Quantenphysik. Für die Quantentechnologien der zweiten Generation spielt die Kontrolle von Effekten wie der Überlagerung (Superposition) von Zuständen und der Verschränkung von Quantenzuständen eine wichtige Rolle. Beispiele für Anwendungen sind sehr viel genauere Messgeräte, eine stark erhöhte Sicherheit bei der Datenkommunikation oder deutlich leistungsfähigere Computer. 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 übernehmen.

Schwerpunkte der Forschung in Deutschland

Die Forschung zu Quantentechnologien in Deutschland konzentriert sich aktuell auf vier Felder:

1. Quantencomputer und -simulation

Quantencomputer funktionieren prinzipiell anders als herkömmliche, digitale Rechner. Ihre kleinsten Recheneinheiten, die „Quantum Bits“ (Qubits), können alle Zustände zwischen Eins und Null einnehmen, und zwar gleichzeitig. Man spricht von Überlagerung (Superposition). Sind die Qubits zudem miteinander verschränkt, führt das zu extrem hohen Rechenleistungen. So können Quantencomputer rechenintensive Aufgaben sehr viel schneller lösen als Digitalcomputer, zum Beispiel bei der Erforschung neuer Materialien oder der Zusammensetzung pharmazeutischer Werkstoffe.

2. Quantenkommunikation

Bei der Quantenkommunikation steht die Abhörsicherheit im Vordergrund. Zur sicheren Datenübertragung nutzt die Quantenkommunikation den Effekt der Verschränkung. Dafür werden Photonenpaare erzeugt. Die Photonen dienen als Schlüssel. Trennt man sie, bleiben sie miteinander verbunden – egal, wie weit sie voneinander entfernt sind. Die Beobachtung des einen Photons beeinflusst den Zustand des anderen, sofort und über eine beliebig große Entfernung hinweg. Auf diese Weise lässt sich feststellen, ob eines der beiden Photonen bereits einmal gemessen wurde. Wenn ja, bedeutet das, dass die Verbindung zum Beispiel abgehört wurde. Denn Störungen der Quantenzustände werden unweigerlich als Fehler in der Übertragung festgestellt und decken den Lauschangriff auf. Der Vorteil: Im Unterschied zu gebräuchlichen Verschlüsselungsverfahren beruht die Sicherheit hier auf einem physikalischen Naturgesetz, das nicht überwunden werden kann.

3. Quantenbasierte Messtechnik

Quantenbasierte Messtechnik ermöglicht eine beispiellose Genauigkeit. Mit Quantensystemen lassen sich etwa Druck, Temperatur, Position, Zeit, Geschwindigkeit, Beschleunigung, elektrische und magnetische Felder oder die Gravitation extrem präzise messen. Atomuhren auf der Basis atomarer Quantenzustände dienen bereits seit Jahrzehnten als Zeitreferenz für Präzisionsmessungen, wie bei dem Global Positioning System (GPS) zur Navigation. Als „Taktgeber“ könnten extrem genaue Uhren Kommunikationsnetze und Internetanbindungen deutlich leistungsfähiger machen.

Das wirtschaftliche Potenzial der quantenbasierten Messtechnik liegt nach aktueller Einschätzung in der industriellen Präzisionsmesstechnik, der Verteidigungstechnik, der medizinischen Diagnostik, der Erdbeobachtung, der Geologie bzw. Lagerstättenerkundung und in der Navigation. Neue Quantensensoren können den Weg für eine Miniaturisierung und eine deutliche Kostenreduzierung frei machen. Dadurch kann eine große Zahl anspruchsvoller Anwendungen für andere Branchen und für Konsumenten erschlossen werden.

4. Basistechnologien für Quantensysteme

Um die Quantentechnologien der zweiten Generation für den Markt zugänglich zu machen, ist der Übergang von Laboraufbauten hin zu Geräten, die strapazierfähig, zuverlässig und kostengünstig herzustellen sind, voranzutreiben. Entscheidend ist das industrielle Engineering der technischen Systeme – sie müssen kleiner, effizienter und kompakter und damit auch robuster und betriebssicherer werden. In Deutschland gibt es bereits einige kleine und mittlere Unternehmen, überwiegend aus der universitären Grundlagenforschung heraus entstanden, die in diesem speziellen, meist auf hochspezialisierte Kleinserien ausgerichteten, internationalen Markt erfolgreich tätig sind.

Schaubild zu den Quantentechnologien der zweiten Generation — Bild: Bundesministerium für Bildung und Forschung

Aufbruch in eine neue technologische Ära

Die zweite Generation der Quantentechnologien verspricht disruptive Innovationen, die erhebliche Auswirkungen auf Wirtschaft und Gesellschaft haben können und auch sicherheitspolitisch relevant sind. Ähnlich wie es etwa bei der Satellitentechnik in den späten 1960er Jahren oder bei der Digitalisierung in den 1990er Jahren der Fall war. Der Wettlauf um die industrielle Realisierung der neuen Quantentechnologien hat international bereits begonnen. Deutschland verfügt über eine große Expertise in der Quantenphysik – und damit über gute Voraussetzungen, um auch die Entwicklung von Quantentechnologien der zweiten Generation frühzeitig in Anwendungen nutzbar zu machen und ihre Entwicklung international mitzugestalten.

Agendaprozess mit Vertretern aus Politik, Wissenschaft und Wirtschaft

Die Bundesregierung wird den Übergang von einer weitgehend wissenschaftlich getriebenen Erforschung der Quantenphysik hin zu Anwendungen der Quantentechnologien politisch begleiten und gestalten. Dazu haben das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), das Bundesministerium des Innern, für Bau und Heimat (BMI) sowie das Bundesministerium der Verteidigung (BMVg) eine ganzheitliche Strategie zur Entwicklung der Quantentechnologien erarbeitet: das Rahmenprogramm „Quantentechnologien – von den Grundlagen zum Markt“. Zur Vorbereitung hat die Bundesregierung einen umfangreichen Agendaprozess mit Wissenschaft und Wirtschaft durchgeführt. Als Ergebnis entstanden Expertenpapiere aus der Wissenschaft (Konzeptpapier der Nationalen Initiative zur Förderung der Quantentechnologie) und der Industrie (Förderung von Quantentechnologien – Positionspapier der Deutschen Industrie).

Ziele der Bundesregierung

Sechs übergeordnete Ziele haben die Experten aus Politik, Wissenschaft und Wirtschaft entwickelt, die der Strategie und dem Förderprogramm den Rahmen geben:

1. Die Forschungslandschaft der Quantentechnologien ausbauen

An vielen Orten in Deutschland wird Forschung zu Quantentechnologien auf international sichtbarem Niveau betrieben. Um das Anwendungspotenzial nutzbar zu machen, müssen wir die bestehende Forschungslandschaft stärken, ergänzen oder auch neu ausrichten.

2. Forschungsnetzwerke für neue Anwendungen schaffen

Der Übergang von der Grundlagenforschung in industrielle Anwendungen kann nur mit einem großen technologie- und branchenoffenen Forschungsnetzwerk gelingen. Dieses Netzwerk nutzt unterschiedliche Instrumente: von einem gemeinsamen Forschungsportal über die unternehmensgeführte Verbundforschung, Leitmarktinitiativen und Kompetenzzentren bis hin zur zielgerichteten Förderung von Ausgründungen.

3. Leuchtturmprojekte für industrielle Wettbewerbsfähigkeit etablieren

Mit wegweisenden Projekten, zum Beispiel aus der Quantenkommunikation oder dem Quantencomputing, wird das Anwendungspotenzial der Quantentechnologien für die Öffentlichkeit und die Wirtschaft erkennbar. So können wir Bürger und Unternehmen von den neuen Chancen überzeugen.

4. Sicherheit und technologische Souveränität gewährleisten

Quantentechnologien werden uns helfen, auch in Zukunft unsere Sicherheit und technologische Unabhängigkeit zu bewahren. Da der Einsatz von Quantentechnologien in der Satellitentechnik zunimmt, müssen wir Europas Satelliteninfrastruktur modernisieren. Damit wir bereits etablierte Services wie Erdbeobachtung oder GPS weiterhin für unsere Gesellschaft nutzen und uns auch künftig vor Cyberangriffen schützen können.

5. Die internationale Zusammenarbeit gestalten

Im Wettbewerb um wissenschaftliches Spitzenpersonal und Investitionen müssen Deutschland und Europa sich mit hochklassigen zivilen Forschungsinfrastrukturen profilieren: Wir müssen für die Besten in Forschung und Entwicklung der Quantentechnologien interessant sein. Auch auf technologischer Ebene ist die internationale Zusammenarbeit wichtig, Normen und Standards zum Beispiel entfalten nur auf internationaler Ebene ihre Wirkung.

6. Die Menschen in unserem Land mitnehmen

Innovationen werden von Menschen für Menschen gemacht. Deshalb sollen mehr Bürgerinnen und Bürger verstehen können, was mit Quantentechnologien möglich ist. Das ist auch wichtig, um dem drohenden Fachkräftemangel entgegenzuwirken. Zum einen brauchen wir einen allgemeinverständlichen Zugang zu Quantentechnologien. Erste erfolgreiche Beispiele zeigen, dass Quantentechnologien in der Schule, in der Berufsqualifikation und in den Museen beginnen können. Zum anderen bedarf es einer ausgeprägten, gezielten Nachwuchsförderung im wissenschaftlichen Bereich.

Zentrale Rolle: Trägerorganisationen und Ressortforschung

Die exzellente deutsche Forschungs- und Technologie-Infrastruktur ist ein Wettbewerbsvorteil in der Entwicklung der Quantentechnologien. Das gilt auch für die enge Vernetzung von Forschung und Industrie. Dazu tragen die folgenden Förder- und Trägerorganisationen sowie Ressortforschungseinrichtungen maßgeblich bei: