Ziel: Ein Quantencomputer made in Germany

Bei einigen Quantentechnologien, z. B. der Photonik, ist Deutschland unangefochten Weltspitze. Für Bundesforschungsministerin Anja Karliczek soll das künftig für alle Quantentechnologien gelten.

Mit 300 Mio. € will Bundesforschungsministerin Anja Karliczek die Entwicklung eines deutschen Quantencomputers fördern. Diese Mittel sollen im Bundeshaushalt für fünf Jahre zusätzlich bereitgestellt werden, sagte die Ministerin Ende letzter Woche in Berlin bei einer gemeinsamen Pressekonferenz mit dem Präsidenten der Fraunhofer-Gesellschaft (FhG), Reimund Neugebauer, und dem CTO des Laserspezialisten Trumpf, Peter Leibinger.

Quantentechnologien werden bereits heute vom Bundesforschungsministerium (BMBF) breit gefördert. Karliczek nannte insgesamt 1,2 Mrd. €, die dafür in der mittelfristigen Finanzplanung von Bund, Ländern und EU bis 2025 eingestellt seien. Um welche Technologien es dabei im Detail geht, erläuterte Neugebauer, dessen Fraunhofer-Gesellschaft hier in zahlreichen Projekten beteiligt ist.

Quantensensoren messen schwächste Felder

Da wäre zunächst die Quantensensorik. Dabei geht es laut Neugebauer darum, einzelne Elektronen in einem Diamantgitter zu nutzen, um extrem schwache elektromagnetische Felder zu messen. „So können wir die Signale in menschlichen Nervenbahnen künftig zur Steuerung von Prothesen nutzen“, gibt er ein Beispiel aus der Medizintechnik.

Bei der Quantenkommunikation geht es darum, eine spezielle Eigenschaft der Quanten zu nutzen, die sogenannte Verschränkung. Eine solche Verbindung zwischen zwei Quanten kann auch über große Entfernungen bestehen bleiben. „Europaweit einzigartig“, nannte Neugebauer das Projekt QuNET, dessen Ziel es sei, ein abhör- und manipulationssicheres Quantenkommunikationsnetzwerk für den Bund aufzubauen.

Der dritte wichtige Bereich ist das Quantenimaging, zu dem auch die Displaytechnologien gehören. Als praktisches Beispiel nannte Neugebauer die Untersuchung von tiefen Gewebeschichten, die mit normalem Licht extrem schwierig sei. „Auch hier nutzen wir die Verschränkung“, erläutert der FhG-Präsident: Ein Photon dringe tief ins Gewebe ein, das andere dient dann der Auslesung der gewonnenen Informationen.

Vertrag zwischen Fraunhofer und IBM steht

Und last but not least: der Quantencomputer. Hier verkündete Neugebauer, dass am Vorabend der Pressekonferenz der Vertrag mit IBM abgeschlossen wurde, der die Installation eines Quantencomputers an einem deutschen Standort vorsehe. „Er wird am 1. Januar 2021 ans Netz gehen. Bis dahin können wir Quantenrechner der IBM an anderen Stellen für Trainingszwecke nutzen.“ Das Interesse der Industriepartner an dieser Technik sei groß. Automobil-, Luftfahrt- und Automatisierungsindustrie wollen vielschichtige Optimierungsaufgaben mit der neuen Rechnertechnik lösen. Dazu gelte es, Algorithmen, Software und die Verbindung zu herkömmlichen Rechnertechniken zu erforschen.

Für Karliczek ist das jedoch nur ein erster Schritt. Sie will mit den zusätzlichen Fördermillionen einem Quantencomputer „made in Germany“ zur Entstehung verhelfen. Trotz der bisher vermeldeten Erfolge von IBM und Google ist sie überzeugt: „Das Rennen um die Technologie für den Quantencomputer ist nicht gelaufen. Wir haben in Deutschland und Europa eine exzellente Forschungslandschaft und damit beste Voraussetzungen, um in eine technologieoffene Entwicklung einzusteigen.“ Das gehöre auch zur digitalen Souveränität, die Deutschland und Europa in diesem wichtigen Feld anstreben sollten.

Wissenschaft und Industrie brauchen Schulterschluss

Das braucht seine Zeit. Peter Leibinger, CTO des Laserspezialisten Trumpf und Sprecher des Programmausschusses Quantensysteme des BMBF, sieht bei der Entwicklung neuer Technologien bis zum Markt, also bis zum ersten Umsatz, zwei „Naturgesetze“. Das erste: „Es dauert für neue Technologien zehn Jahre.“ Und das zweite: „Ohne die Kombination von Kompetenzen, ohne das Vorhandensein von wissenschaftlicher Exzellenz auf der einen Seite und die industrielle Kompetenz auf der anderen, ist kein Erfolg möglich.“

Zu den Meldungen über Googles Erfolge im Quantencomputing (s. VDI nachrichten 40/2019) meinte Leibinger: „Die lösen damit Probleme, die kein Mensch hat.“ Will sagen: abstrakte mathematische Aufgaben ohne Praxisbezug. An zwei Beispielen aus seinem Unternehmen machte er klar, wo der Quantencomputer künftig der deutschen Industrie helfen kann. So müssen bei Trumpf in speziellen Lasersystemen Justagearbeiten durchgeführt werden, die bisher nur der Mensch ausführen kann, wobei es „purer Zufall ist, ob dafür eine Woche oder zwei Stunden benötigt werden“. Geschlossen sei dieses Problem mathematisch nicht lösbar. Eine andere Aufgabe ähnelt dem bekannten „Travelling Salesman“-Problem. Es geht darum, aus verschiedenen Randbedingungen einen optimalen Weg zu finden, um geschnittene Blechteile materialsparend und produktiv zu entnehmen. „Das können wir derzeit nicht lösen, dazu bräuchten wir 30 000 Quantenbit. IBMs Rechner heute hat 30 …“

Unvorstellbares vorstellbar machen

Leibinger plädierte dafür, die unterschiedlichen Kompetenzen schnell zusammenzubringen und jetzt Prioritäten zu setzen. „Auch wenn wir die vielleicht in drei Jahren neu bewerten, müssen wir jetzt anfangen. Sonst stehen wir in drei Jahren genau da, wo wir jetzt stehen.“ Dazu brauche es einen fantasievollen Schulterschluss auch in der Ausbildung. Das Thema Quanten müsse die Physik verlassen und in die Ingenieurausbildung einfließen. Der Ansatz der Quantentechnik, „sich etwas Unvorstellbares vorzustellen“, laufe ja dem Selbstverständnis eines Ingenieurs eigentlich zuwider. Und Karliczek ergänzte: „Wenn wir das dann bis in die Schulen spielen, dass wir mit den Quantentechnologien vielleicht auch Klimaprobleme lösen helfen, dann wissen die Schülerinnen und Schüler, warum es sich lohnt in den Matheunterricht zu gehen, statt ihn zu schwänzen.“