So genau wie nie

Quantencomputing

Quantencomputer zählen zu den revolutionärsten Zukunftstechnologien. Sie ermöglichen Berechnungen und Simulationen, für die herkömmliche Computer Jahre oder gar Jahrtausende brauchen würden. Erhebliche Fortschritte könnten mit Hilfe von Quantencomputern beispielsweise erzielt werden 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. Allerdings ist der Weg hin zu einem marktfähigen Quantencomputer noch weit.

Weltweit gibt es bislang noch keine kommerziellen Quantencomputer, die wirtschaftlich relevante Aufgabenstellungen schneller lösen könnten als herkömmliche Computer. Für die Realisierung von Quantencomputern gibt es verschiedene Ansätze, deren Vor- und Nachteile allerdings erst noch weiter erforscht werden müssen. Es ist mithin unabdingbar, die notwendigen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten fortzusetzen und zu intensivieren.

Grundlage eines Quantencomputers ist die Quantenphysik, die sich mit den physikalischen Vorgängen auf atomarer Ebene befasst. Auf den Prinzipien der Quantenphysik basieren bereits zahlreiche Schlüsseltechnologien – seien es Computer, Smartphones, Fernseher, Laser, Leuchtdioden, Navigationsgeräte oder Kernspintomographen. Moderne Kommunikation, Datenübermittlung und generell Elektronik wären ohne die Ausnutzung quantenphysikalischer Effekte nicht möglich. Die weitergehende Forschung an der Nutzung von Quanteneffekten kann neuartige Technologien ermöglichen, die gezielt in alltägliche Anwendungen umgesetzt werden und ganze Industriezweige entstehen lassen könnten.

Das Quantencomputing stellt eine solch bedeutende neuartige Technologie dar. Bestimmte umfangreiche Berechnungen, bei denen zahlreiche Bedingungen in einem komplexen wechselseitigen Zusammenspiel berechnet werden müssen, überfordern herkömmliche Rechner. Ein Quantencomputer arbeitet dahingegen anders: Seine Quantenbits, kurz Qubits, folgen den Gesetzen der Quantenphysik. Sie können, im Gegensatz zu den Bits der klassischen Digitalrechner, die nur die zwei Zustände 0 und 1 kennen, unendlich viele Zwischenwerte annehmen. Als Qubit dienen dabei quantenphysikalische Objekte, wie beispielsweise Elektronen in Halbleiterstrukturen oder supraleitenden Schleifen, Atome, Ionen oder Lichtquanten. Mit den hierdurch möglichen neuartigen Algorithmen eröffnen sich völlig neue Dimensionen.

Weltweit befassen sich Wissenschaftler mit Quantentechnologien. Das Grundlagenwissen zum Bau eines Quantencomputers ist vor allem in universitären und anderen wissenschaftlichen Arbeitsgruppen vorhanden. Eine effektive Nutzung dieses Potentials erfordert die enge Anbindung von Forschung und Wissenschaft an Industrie und Wirtschaft. Letztere sind an der Entwicklung von Quantencomputern sehr interessiert, da so die Nutzungs- und Patentrechte auch bei den entsprechenden Industrie- und Forschungspartnern verbleiben.

Die aktuellen Fortschritte im Quantenengineering geben großen Anlass zur Hoffnung, dass Quantencomputer marktfähig werden. Die vorhandenen anwendungsnahen Kompetenzen in der Quantentechnologie müssen allerdings zusammengeführt werden, um mit Partnern aus der Wirtschaft eine industrielle Basis aufzubauen. Die IKON verfolgt das Ziel, Quantencomputer zu realisieren und das damit verbundene ökonomische Umfeld aufzubauen. Hierzu werden Industrie, Forschungseinrichtungen und Start-ups unter der Federführung der IKON eingebunden. Zudem soll sowohl auf nationaler als auch auf internationaler Ebene ein kontinuierlicher Austausch mit anderen Konsortien stattfinden.

Entwickelt werden Hardware, Software, Anwendungen und die notwendige Zulieferkette. Neben den bereits verfolgten Technologien zum Bau eines Quantencomputers (Atom- oder Ionenfallen, supraleitende Schaltkreise oder andere geeignete Quantensysteme als Qubits) sollen auch weitere ähnlich gelagerte Ansätze verfolgt werden.

Quantentechnologie in der IKON

Derzeit werden in der IKON zwei eigene Institute für den Bereich der Quantentechnologien neu aufgebaut: Das Institut für Quantentechnologien in Zürich sowie das Institut für Satellitensensorik in Istanbul. Diese werden die Forschungsergebnisse der Quantentechnologie zusammen mit der Industrie in den kommerziellen Markt für GNSS-Dienste (Globale Satelliten-Navigationssysteme) überführen.

Darüber hinaus bearbeitet die IKON den Bereich der Softwareentwicklung sowie Anwendungsanalyse für Quantencomputer. Geforscht wird unter anderem an Post-Quantum-Kryptographie, Quantum-Machine-Learning, Planungsoptimierung für Satellitenbetrieb und Simulation chemischer Redox-Reaktionen für die Entwicklung von Batteriesystemen. Unsere Forschungsarbeiten sollen als Grundlage für industrielle Anwendungen dienen. Durch die eigene Forschung hat die IKON in allen ihren Schwerpunkten Luftfahrt, Raumfahrt, Energie, Verkehr, Sicherheit und Digitalisierung/KI (künstliche Intelligenz) einen deutlichen Bedarf für den zukünftigen Einsatz von Quantencomputern.