Quantentechnik Eventkalender & Aktuelles Richtiges Licht VDI Award "Prädikat Ingenieurskunst" - Technik in Bayern
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NACHRICHTEN AUS TECHNIK, NATURWISSENSCHAFT UND WIRTSCHAFT
05/2021 SEP/OKT
Das Regionalmagazin für und
Quantentechnik
Eventkalender & Aktuelles
Richtiges Licht
VDI Award „Prädikat Ingenieurskunst“
EDITORIAL
München
München
München
München
Internationale Fachmesse
• Ideen
Die Heinzel-
• Erfindungen
• Neuheiten
4.-7. Nov. 2021
Foto: Silvia Stettmayer
24.–25. November 2021 männchen vom Halle 12
24.–25.
24.–25.November
24.–25. November2021
November 2021
2021 Dipl.-Ing. Fritz Münzel
Chefredakteur
Quantum Valley iena.de
4.+ 5. 11. 2021
Die Fachmesse für E
in bisschen ist es mit den der Wissenschaften, die Fraunhofer-
Die
Die
Die Fachmesse
Fachmesse
Fachmesse für
für
für
Quanten wie mit den Heinzel-
männchen. Sie verrichten ihre
Arbeit schnell und im Verborgenen,
Gesellschaft, die LMU München und
die Max-Planck-Gesellschaft zu den
Gründern des Netzwerks. Messe Nürnberg ∙ NCC West
lieben die Dunkelheit, und wenn sie Über den Computer hinaus geht es
Zutrittskontrolle gestört werden verschwinden sie dabei um weitere interessante und
Zutrittskontrolle
Zutrittskontrolle gleich wieder. praxisnahe Anwendungen: Sensorik,
Zutrittskontrolle
Videoüberwachung Die Idee ist schon alt, aber erst in
neuerer Zeit ist es möglich gewor-
Medizintechnik, Kommunikations-
technik und Radartechnik gehören
Videoüberwachung
Videoüberwachung den, einzelne Quantenobjekte wie dazu. Neben einer Förderung vom
Videoüberwachung
Brandschutz Atome oder Ionen zu beobachten,
zu manipulieren und für technische
Freistaat über 300 Mio. Euro für die
nächsten fünf Jahre sind Mittel vom
Brandschutz
Brandschutz Anwendungen nutzbar zu machen. Bund und der EU zugesagt.
Brandschutz
Perimeter Protection Diese sog. Zweite Quantenrevolution Zehn deutsche Konzerne haben mit
ist wissenschaftlich hochinteressant, Gründung des Quantum Techno-
Perimeter
PerimeterProtection
Protection aber noch interessanter für uns In- logy and Application Consortium
Perimeter
IT-Security Protection genieure ist es, dass technische An- (QUTAC) eine gemeinsame Grund-
IT-Security
IT-Security wendungen bereits vorhanden sind
oder an der Schwelle stehen. Die pro-
lage für die Entwicklung von Quan-
tencomputing-Technologien gelegt.
• Perspektiven schaffen. Jetzt!
IT-Security minenteste davon ist der Quanten- Man will es diesmal nicht verschla-
• Innovationen erfolgreich
managen
computer, an dem weltweit geforscht fen, Forschungsergebnissen zu wirt-
und entwickelt wird, und je nach Pers- schaftlichem Durchbruch im Lande
• Patente, Schutzrechte,
Fördermöglichkeiten
pektive gibt es ihn schon, oder bald, zu verhelfen, und nicht nur anderswo
oder noch lange nicht. IBM hat eine Dollars und Yuans generieren.
• Kreativität und
kommerzielle Version eines Quanten- Viel Spaß bei der Lektüre dieses Hef-
Innovationsentwicklung
computers jüngst unter Anwesenheit tes, und wenn Sie bei dieser spröden Partner:
starker politischer und wissenschaft- aber faszinierenden Materie etwas
licher Prominenz in Deutschland vor- nicht gleich verstehen, ist das ganz
gestellt, und mit der Eröffnung des normal, weil sie sehr gewöhnungsbe-
„Quantum Integration Centre“ am dürftig ist. Wir mussten uns ja auch
Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) in Gar- erst daran gewöhnen, dass die nicht
2-Tages Kongressticket
ching unterstreicht Bayern sein star- weniger faszinierenden elektromag
kes Interesse an der Stärkung des netischen Wellen für viele Anwen-
€ 80,- statt € 120,-
Promocode: TIB21INKO
Forschungsstandorts. dungen verantwortlich sind, wie z.B. www.iena.de/ticket
Der Verbund „Munich Quantum Val- das Mobiltelefon, die Mikrowelle, die
Außerdem während der iENA:
ley“ will in den kommenden zehn LED-Lampe oder den Computertomo-
Jahren die Entwicklung der Quanten- graphen. 6. + 7. November 2021
wissenschaft und -technologie weiter
www.sicherheitsexpo.de
www.sicherheitsexpo.de
www.sicherheitsexpo.de
vorantreiben. Neben der TU München
gehören die Bayerische Akademie
www.sicherheitsexpo.de Technik in Bayern 05/2021 3
MEORGA
INHALT
HOCHSCHULE UND FORSCHUNG
Weniger Anstrengung bei richtigem Licht 30 MSR-Spezialmessen
Christiane Taddigs-Hirsch, Hochschule München
Die Welt ein Stück besser bauen 37
Prozess- u. Fabrikautomation
Technische Hochschule Ingolstadt
Fachmesse für
Prozess- und Fabrikautomation
Quantentechnik AKTUELLES
VDI BV Bayern Nordost: JMV 2021 31 Messtechnik
Abb.: Christoph Hohmann / MCQST
Kürzlich wurde das „Munich Quantum Valley“ ge-
VDI fib München: Umgang mit Geld 32
gründet, eine Initiative, um die Quantentechnik vor-
anzubringen. Sie beschäftigt sich u. a. mit künftigen
VDE Bayern: Zukunftsforum 2021 33 Steuerungstechnik
Revolutionen bei der Kommunikationstechnik, der
Datensicherheit, der Sensorik und der Rechentechnik.
VDI Landesverband Bayern: Quantenwelt
VDI Young Engineers München
34
36 Regeltechnik
VDI BV Bayern Nordost: DMN öffnet bald
VDI München: Aktuelles Forum Technik
38
41
Automatisierungstechnik
Quantenlichtquelle, entwickelt vom Exzellenzcluster MCQST an der TU München VDE Bayern: VDE Bayern Abend 2021 41 Prozessleitsysteme
VDI BV Bayern Nordost: Homeoffice 42
VDI München: Kunst motiviert
VDI BV Bayern Nordost: Satzungsänderung
43
44
+ Fachvorträge
Der Eintritt zur Messe und die Teilnahme an den
SCHWERPUNKT Fachvorträgen ist für die Besucher kostenlos.
RUBRIKEN
Quantentechnologien machen
seltsame Effekte nutzbar 06 Veranstaltungskalender39 Wirtschaftsregion Südost
Tommaso Calarco, Daniele Binosi Buchbesprechungen48
Landshut
Ausstellungstipp49
Wir machen das Quanten-Bios 09
Gespräch mit Monika Aidelsburger Impressum49
Cartoon50
Quantencomputer trifft Halbleitertechnik 12 Vorschau50
27.10.2021
Wolfram Langheinrich, Sebastian Luber
Es muss nicht immer Quantencomputing sein 14
Jens Anders Titelbild: So sieht der "Kühlschrank" des Quantencomputers aus
PushQuantum: Mehr als nur ein Quäntchen Bildung 16
Foto: Google 8.00 bis 16.00 Uhr
Franz von Silva-Tarouca, Benjamin Schiffer
Quantenradar18
Sparkassen-Arena
Beilagenhinweis – MEORGA Niedermayerstr. 100
Frank Deppe, Kirill Fedorov, Achim Marx, Kedar Honasoge, Markus
Peichl, Florian Bischeltsrieder, Wolfgang Utschick, Johannes Russer, Wir bitten um freundliche Beachtung.
Michael Würth, Baris Güzelarslan, Fabian Kronowetter 84036 Landshut
VDI Landesverband Bayern
Quantenoptik – die Zukunft der Mikroskopie? 20
Markus Gräfe
VDI Bezirksverein München, Ober- und Niederbayern e.V. Zur erforderlichen Besucher-Registrierung:
Westendstr. 199, D-80686 München
S. 12 Tel.: (0 89) 57 91 22 00, Fax: (0 89) 57 91 21 61 www.meorga.de oder
Magnetisches Kühlen in der Quantentechnologie 22 www.vdi-sued.de, E-Mail: bv-muenchen@vdi.de
QR-Code scannen
Felix Rucker
VDI Bezirksverein Bayern Nordost e.V. Messebesuch nur nach
3G-Regelung
c/o Ohm-Hochschule, Keßlerplatz 12, D-90489 Nürnberg
Von Quantenkopierern und Überlichtgeschwindigkeit 24 Tel.: (09 11) 55 40 30, Fax: (09 11) 5 19 39 86
Quelle Sarah Mielke
Der historische Hintergrund von Eckhard Wallis E-Mail: vdi@th-nuernberg.de
mit Nachweis
Klassische Kommunikationsnetze + VDE Bayern, Bezirksverein Südbayern e.V. GEIMPFT . GENESEN . GETESTET
Heimeranstraße 37, D-80399 München
Quantentechnologie26 Tel.: (0 89) 91 07 21 10, Fax: (0 89) 91 07 23 09
Christian Deppe und Janis Nötzel Quantencomputer – wie weit ist die Entwicklung wirklich? www.vde-suedbayern.de, E-Mail: info@vde-suedbayern.de MEORGA GmbH - Sportplatzstr. 27 - 66809 Nalbach
Telefon 06838 8960035 - info@meorga.de
4 Technik in Bayern 05/2021 Technik in Bayern 05/2021 5
SCHWERPUNKT
Ein Überblick
Quantentechnologien machen
seltsame Effekte nutzbar
Q
uantentechnologie bezeichnet Quantenkommunikation einen Quantencomputer (siehe unten)
eine Reihe von aufkommenden Typischerweise bauen Quanten-Kommu- garantieren kann. Durch die Verbindung
Technologien, die sich die Fähig- nikationsprotokolle auf Quanten-Zufalls- mehrerer QKD-Knoten kann man im Prin-
keit zunutze machen, einzelne Quanten- zahlengeneratoren, (Quantum Random zip ein Quantennetzwerk schaffen, das
objekte – in der Regel einzelne Atome, Ele- Number Generator, QRNG) auf, um gehei- die Konnektivität zwischen einer großen
mentarteilchen (wie Photonen) oder auch me Quanten-Schlüssel zu erzeugen und Gruppe von Nutzern, das flexible Hinzufü-
mikroskopische elektronische Schalt- diese für die sichere gemeinsame Nut- gen neuer Akteure sowie die Erweiterung
kreise – zu manipulieren, um bestimmte zung in kryptographischen Anwendungen der Kommunikationsdistanz von Punkt-
Foto: Andreas Heddergott / TUM
Funktionen auszuführen. zu verteilen (QKD, Quantum Key Distribu- zu-Punkt Verbindungen ermöglicht. Die
tion). QRNG ist eine der unmittelbarsten Realisierung eines echten Quantennetz-
Die so genannte „erste Quantenrevolu- Anwendungen der Quantenphysik, mit werks, das in der Lage ist, große Entfer-
tion“, d. h. das Verständnis und die An- mehreren Anwendungen in der Krypto- nungen zu überbrücken, ist jedoch eine
wendung physikalischer Gesetze im mi- graphie, numerischen Simulationen und sehr schwierige Herausforderung, denn
kroskopischen Bereich, die in den 1920er sogar digitalen Spielen. Die Idee ist ein- man kann keine einfachen Verstärker be-
Jahren begann, führte zur Entwicklung fach: Da die Quantenphysik die einzig nützen, da diese die Quanteninformation TUM Forschung zur quantencomputerresistenten Kryptografie: Sonden mit Spulen von ca. 150µm Durchmesser messen die elektromagnetische
innovativer Technologien wie dem Tran- wahre Quelle für Zufälligkeit in der Na- zerstören würden. Die Entwicklung eines Abstrahlung über einem Chip. Aus dieser Abstrahlung kann man geheime kryptographische Schlüssel, die gerade im Chip verarbeitet werden, mit Hilfe
sogenannter Seitenkanalattacken bestimmen. Diese Angriffe sind auch bei Post Quantum Kryptographie möglich und müssen durch geeignete Ge-
sistor (der Basis heutiger Mikroprozesso- tur ist, stellt sie auch eine ideale Lösung echten Quantenrepeaters würde eines genmaßnahmen verhindert werden. Die eingeblendete Formel ist ein vom TUM Lehrstuhl für Sicherheit in der Informationstechnik, Prof. Dr.-Ing. Georg
ren), dem Laser, der Festkörperbeleuch- für die Erzeugung von wirklich zufälligen der Haupthindernisse auf dem Weg zur Sigl, erstellter Fotolayer und beschreibt die Quanten-Fouriertransformation, die Grundlage für den Shor-Algorithmus ist, der für das Entziffern oder
tung (LED, Light Emitting Diode) und da- Bitströmen dar (im Gegensatz zu der Realisierung eines Quanteninternets be- "Knacken" klassischer Kryptographie genutzt werden kann und der die Motivation für die Entwicklung der Post Quanten Kryptographie ist
mit zu Systemen für die Kommunikation, klassisch verwendeten Pseudo-Zufalls- seitigen.
die Navigation und zur Leistungsregelung generierung). Der archetypische QRNG ist ist es möglich, die gängigen unsymmetri- tencomputer und der entsprechenden wechselwirkungen erfordert. Darüber
bis zum Energietransport mit Hochspan- ein extrem einfaches Gerät, bei dem ein Quantencomputing schen Schlüssel, die wir z. B. zum Schutz (und ebenso wichtigen) Software-Infra- hinaus muss die Quantenüberlegenheit
nungs-Gleichstrom-Übertragung, um nur Photon auf einen Strahlteiler auftrifft und Die Realisierung von Quantencomputern unserer E-Mails oder wirtschaftlicher struktur investieren. IBM hat am 15. Juni in einem Algorithmus mit Fehlerkorrek-
einige zu nennen. Seit Anfang der 2000er anschließend von einem von zwei nach- ist die mühsamste, aber auch faszinie- Transaktionen im Netz verwenden, zu 2021 mit hoher politischer Teilnahme tur bewiesen werden – eine Methode zur
Jahre findet jedoch eine "zweite Quanten- geschalteten Detektoren absorbiert und rendste Herausforderung. Diese Maschi- brechen. Diese Schlüssel basieren auf der und großem Medienecho in Inningen Korrektur von dekohärenzbedingten Feh-
revolution" statt, bei der die eigenartig mit den Bitwerten 0 und 1 assoziiert wird. nen versprechen eine unvorstellbare Re- Tatsache, dass es zwar einfach ist, zwei Europas leis tungsstärksten kommerzi- lern, die durch den Abbau der Verschrän-
sten Aspekte der inzwischen etablierten Die Grundidee der QKD ist wiederum ganz chenleistung für die Lösung einiger wich- große Zahlen zu multiplizieren, die um- ellen Quantencomputer vorgestellt. Er kung sowohl die Länge des zuverlässig
Quantentheorie, nämlich die Superposi- einfach: Nach der Quantenphysik stört die tiger Problemtypen, die derzeit selbst für gekehrte Operation, d. h. die Zerlegung arbeitet mit 27 Qubits und ist über eine ausführbaren Codes als auch die maxi-
tion (dank derer ein Quantenobjekt gleich- bloße Tatsache der Beobachtung eines die leistungsstärksten Supercomputer in Primfaktoren, jedoch sehr schwierig ist Cloud ansprechbar. Damit soll die indus- male Anzahl von Qubits, die miteinander
zeitig in verschiedenen Zuständen sein Quantenobjekts dieses irreparabel; wenn unlösbar sind. Quantencomputer basie- und auch mit heutigen Supercomputern trielle Nutzung in Deutschland und Europa verknüpft werden können, begrenzt. Auf
kann) und die Verschränkung (dank derer Sie also den Wert eines Bits auf einem ren auf Qubits, die im Gegensatz zu klas- sehr lange dauern würde. angestoßen werden. theoretischer Ebene werden nämlich je
zwei Quantenobjekte perfekt korreliert einzelnen Quantenobjekt (Qubit) kodie- sischen Bits gleichzeitig die Werte 0 und nach Hardware-Fehlerrate und Länge des
sind und wir bei Kenntnis des Zustands ren, führt sein Auslesen zwangsläufig zu 1 annehmen können. Mit Hilfe von Logik- Doch es gibt weitere wichtige Anwen- Doch es sind noch viele Herausforderun- Algorithmus Millionen oder Milliarden
des einen mit Sicherheit den Zustand des einer Störung. Diese Störung verursacht gattern, die die Verschränkung zwischen dungsfelder. Die Liste reicht von der Su- gen zu bewältigen, bevor solche Geräte physikalischer Qubits benötigt, um ein
anderen kennen, unabhängig von der Ent- Fehler in der Folge der zwischen Sender verschiedenen Qubits nutzen, verhält sich che nach Daten in unstrukturierten Daten- den Prototypenstatus verlassen können. paar Tausend fehlerfreie logische Qubits
fernung, die sie trennt), als Ressourcen und Empfänger ausgetauschten (Qu)Bits: ein Quantencomputer wie ein massiv banken über die Optimierung komplexer Zum einen konnte noch nicht demon- zu erzeugen. Wenn man schließlich be-
für die Entwicklung von Technologien Durch die Überprüfung auf solche Fehler paralleles Gerät, das in der Lage ist, eine Systeme mit vielen Freiheitsgraden (z. B. striert werden, dass ein existierender denkt, dass es mehrere physikalische
verwendet werden, die in der klassischen können die beiden Parteien verifizieren, exponentiell große Anzahl von gleichzei- in der Logistik oder der Verkehrsfluss- Quantencomputer in der Lage ist, ein Systeme gibt, die für Quantencomputer
Welt keine Entsprechung haben. Das ent- ob ein Lauscher Informationen über den tigen Operationen durchzuführen. 1994 analyse) bis hin zu Anwendungen im ma- Problem von besonderem praktischen in Frage kommen, jedes mit spezifischen
zieht sich dem anschaulichen Verständ- übertragenen Schlüssel erhalten konnte. entwickelte der amerikanische Informati- schinellen Lernen und der künstlichen Interesse zu lösen, das auf keine ande- Vor- und Nachteilen (z. B. ultrakalte Ato-
nis – nicht aber der Nutzung, derzeit in Es sei darauf hingewiesen, dass QKD die ker Peter Shor einen Quantenalgorithmus, Intelligenz. Kein Wunder also, dass die re Weise angegangen werden kann, wie me und Ionen, supraleitende Schaltkreise,
den vier Hauptbereichen Quantenkom- einzige bekannte kryptografische Tech- der die Primfaktoren von beliebig großen großen globalen IT-Unternehmen (bisher z. B. die Berechnung der elektronischen künstliche Atome in halbleitenden Schalt-
munikation, Quantencomputing, Quanten- nik ist, die heute die Vertraulichkeit von Zahlen viel schneller bestimmen kann als Google, IBM, Intel, Microsoft und Alibaba) Struktur eines Moleküls – ein Problem, kreisen und andere), wird klar, dass der
simulation und Quantensensorik. Nachrichten gegen einen Angriff durch bekannte klassische Algorithmen. Damit massiv in die Entwicklung eigener Quan- das die Modellierung mehrerer Quanten- Bau von Quantencomputern eine riesige
6 Technik in Bayern 05/2021 Technik in Bayern 05/2021 7
SCHWERPUNKT SCHWERPUNKT
Wir machen das Quanten-Bios
wissenschaftliche Herausforderung ist, haben die Realisierung von Prototypen Quantenfreiheitsgrade verschieben. Nun
deren Bewältigung wahrscheinlich meh- solcher Simulatoren von beträchtlicher kommt es darauf an, aus dieser Fähigkeit
rere Jahrzehnte dauern wird. Größe ermöglicht: z. B. Systeme von ul- Produkte und Dienstleistungen zu gene-
trakalten Atomen in optischen Gittern mit rieren, mit denen sich letztlich dann auch
Quantensimulation hunderten oder tausenden von wechsel- der wirtschaftliche Erfolg einstellt. So soll
Bezogen auf die Schwierigkeiten, auf die wirkenden Bestandteilen, Register von in Deutschland nach den Empfehlungen
man im Bereich des Designs und der Im- Rydberg-Atomen in optischen Pinzetten der nationalen Roadmap Quantencom-
plementierung von Quantencomputern oder einzelne Photonen, die sich in Arrays puting [1] in fünf Jahren ein international
stößt, sind besonders die Quantensimu- von Wellenleitern und/oder Resonatoren wettbewerbsfähiger Quantenrechner rea- Gewaltige Fortschritte in der kann man die Eigenschaften von Materi- TiB: Wie schätzen Sie die Wünsche der
latoren interessant: Geräte, die eine ähn- ausbreiten. lisiert werden, um dann in fünf bis zehn Experimentalphysik ermög- alien aus den Gesetzen der Quantenme- Chemiker ein, Substanzen auf dem Rech-
liche physikalische Struktur wie Quan- Jahren einen Quantenvorteil für praxis chanik ableiten, aber geschlossen geht ner synthetisieren zu können?
tencomputer haben, von denen sie sich Quantensensoren relevante Anwendungen zu demonstrie-
lichen die Beobachtung und das nur für sehr einfache Fälle und selbst Aidelsburger: Das ist ein ganz wichtiger
dadurch unterscheiden, dass sie speziell Quantenzustände, insbesondere die Ei- ren und nach zehn Jahren mit souveräner Manipulation einzelner Quan- dann stoßen heutige Supercomputer Punkt für die Anwendungsseite. Viele von
der Simulation der Dynamik bestimmter genschaften der Verschränkung und der Technologie mit an der Spitze des inter- tenobjekte, wie Atome oder sehr schnell an Grenzen. Die Hoffnung ist diesen Fragestellungen, gerade aus der
komplexer Systeme und/oder der Unter- Superposition, sind sehr empfindlich ge- nationalen Wettbewerbs zu stehen. In mithilfe der überlegenen Rechenleistung Chemie, aber auch andere Optimierungs-
Photonen. Über heutige Anwen
suchung synthetischer Materialien gewid- genüber der Umgebung. Während diese in- zehn bis fünfzehn Jahren soll schließlich von Quantencomputern diese Modelle lö- probleme, wie das berühmte Traveling
met sind. Der Hauptvorteil von Simulato- härente Fragilität im Fall von Quantenkom- ein fehlerkorrigiertes System zur Lösung dungen und Zukunftsperspek sen zu können. Bis zu einem universellen Salesman Problem, sind Kandidaten für
ren liegt in ihrer höheren Fehlertoleranz. munikation, -computern und -simulatoren einer universellen Klasse an Problemen tiven dieser Technologie Quantencomputer ist allerdings noch ein den Quantencomputer. Dabei muss man
Die Idee geht auf den amerikanischen problematisch ist, wird sie für Quanten- zur Verfügung gestellt werden, um einen sprachen wir mit Frau Prof. Dr. weiter Weg, daher setzen wir im Moment aber sehen, welche Struktur oder Platt-
Physiker Richard Feynman zurück (1982). sensoren zu einem Vorteil. Man erreicht breiten Nutzen für Wirtschaft und Gesell- auf sogenannte Quantensimulationen. form eines Quantencomputers sich am
Monika Aidelsburger, Fakultät
Es gibt bereits interessante Anwendun- damit deutlich höhere Genauigkeiten und schaft zu erzielen. Quantensimulatoren sind speziell auf ein besten zur Lösung des jeweiligen Pro-
gen für die Grundlagenforschung, aber Detektionsempfindlichkeiten als es mit für Physik der LMU München. Problem, wie z.B. vereinfachten Modellen blems eignet. Die bekannteste Plattform
auch für die Industrie, wo sie der Schlüs- aktuellen klassischen Techniken möglich Prof. Dr. Tommaso Calarco zur Erklärung von Hochtemperatur Supra- ist der gatterbasierte Computer. Dabei
sel zum Design neuer Chemikalien, von ist. Der Anwendungsbereich ist riesig: Forschungszentrum Jülich leitung, zugeschnitten. Ein Problem, das werden beispielsweise mit einem kontrol-
Medikamenten bis zu Düngemitteln für Positionierungssysteme; Atomuhren; Gra- Daniele Binosi oft genannt wird, ist die Hochtemperatur lierten NOT-Gatter, dem CNOT-Gatter, be-
die Medizin und Landwirtschaft der Zu- vitations-, elektrische und magnetische European Centre for theoretical studies in Supraleitung oder komplexer Magnetis- nachbarte Qubits miteinander verschränkt
kunft, und neuer Materialien, wie Hoch- Felddetektoren; Kraft-, Druck- und Tem- Nuklear Physics and related Areas mus. Um komplexe Probleme in der Fest- und Algorithmen implementiert, an deren
temperatur-Supraleiter sein könnten. peratursensoren; Messstandards; Kern- ECT*, Trient körperphysik zu lösen, formuliert man Ende dann die Lösung des Problems steht.
Mit Hilfe einfacher Modelle von Quanten- spinresonanz; Spektroskopie, Mikroskopie zuerst einfache Modelle. Das berühmte- Eine zentrale Frage ist dabei die sog. Kon-
systemen helfen Quantensimulatoren, und ultrahochauflösende Bildgebung. ste ist das sog. Hubbard Modell, welches nektivität der Plattform, d.h. ob es möglich
Quellen
das Verhalten größerer Systeme zu ver- die Bewegung und Wechselwirkung von ist Verschränkung auch zwischen weit
stehen, die sonst viel schwieriger, wenn Ausblick [1] h ttps://www.quantentechnologien.de/file- Elektronen in einem Kristall beschreibt. entfernten Qubits herzustellen. Aber auch
nicht gar unmöglich zu beschreiben wä- Ein Jahrhundert nach der Geburt der admin/public/Redaktion/Dokumente/PDF/ Aber selbst für dieses sehr einfache Mo- dazu verfolgen wir eine erfolgversprechen-
Publikationen/Roadmap-Quantencomputing-
ren. Jüngste Fortschritte in der Kontrolle Quantenmechanik können wir jetzt ihre bf-C1.pdf dell kommt man mit unseren klassischen de Methode, die auf optischen Pinzetten
und Manipulation von Quantensystemen Grenzen bis zur Kontrolle einzelner numerischen Algorithmen schnell an basiert: Das sind stark fokussierte Laser-
Grenzen. strahlen, mit denen man ein Atom nimmt
Foto: Krupp-Stiftung/Brigitte Kraemer
und dann über das Gitter kontrolliert zu
TiB: Was ist das Problem dabei? dem anderen Atom bringt, dort eine CNOT
Aidelsburger: Das grundlegende Problem Gatter Operation oder ein ähnliches zwei-
Deutsches Museum München ist, dass es sich um quantenmechanische Qubit Gatter ausführt und das Atom wieder
Prozesse handelt und deswegen die Kom- zurücktransportiert. Mit dieser Methode
Technologie-Revolution Prof. Dr. Monika Aidelsburger
plexität von Berechnungen mit der Anzahl
der Teilchen exponentiell ansteigt. Und
kann man alle Atome miteinander „spre-
chen“ lassen. Diesen Ansatz verfolgen wir
auf fünf Quadratzentimetern jetzt ist die Idee von einem Quantensimula-
tor, dieses Modell mit gut kontrollierbaren
mit neutralen Atomen in optischen Gittern.
Eine erfolgreiche Umsetzung würde die
TiB: Eines Ihrer Forschungsgebiete ist die quantenmechanischen Teilchen direkt Realisierung eines Quantencomputers mit
Das kleine Ding – 2 mal 2,5 Zentimeter groß – verkörpert eine technologische Quantensimulation. Was versteht man nachzubauen, um dann die Eigenschaften voller Konnektivität bedeuten.
Foto: Deutsches Museum/Hubert Czech
Revolution: Im Oktober 2019 geschah in den US-Laboren von Google etwas, wovon darunter und welche Probleme sollen da- der vielen miteinander wechselwirkenden Eine andere Plattform beruht auf adia-
Computerspezialisten lange geträumt hatten: Die erste Rechenoperation mit einem mit gelöst werden? quantenmechanischen Teilchen direkt im batischen Algorithmen mit denen man
Quantencomputer, mit der seine Überlegenheit gegenüber normalen Computern ex- Monika Aidelsburger: Im Moment sind Labor zu untersuchen. Man muss also die versucht, den Grundzustand von quanten-
perimentell nachgewiesen wurde. 200 Sekunden habe der Computer für eine Ope- Quantensimulationen hauptsächlich für Struktur dieses sehr speziellen Quanten- mechanischen Systemen zu präparieren
ration gebraucht, für die ein herkömmlicher Superrechner 10.000 Jahre gebraucht Probleme in der Materialforschung be- computers an die Struktur des Problems und dann durch langsames Verändern der
hätte. Das Herz dieses Computers: ein Quantenprozessor namens Sycamore. Ein kannt. Wir gehen aber davon aus, dass anpassen. Tatsächlich können wir aktuell Kopplungsparameter den Grundzustand
solcher Prozessor wurde jetzt an das Deutsche Museum übergeben. die Anwendungsgebiete in der Zukunft einige Modelle bereits mit mehreren tau- von einem neuen Vielteilchensystem zu
Quelle: Deutsches Museum Der Sycamore-Quantenprozessor von Google stark ausgeweitet werden. Prinzipiell send Teilchen simulieren. finden. Der Grundzustand von diesem
8 Technik in Bayern 05/2021 Technik in Bayern 05/2021 9
SCHWERPUNKT SCHWERPUNKT
neuen System ist dann die Lösung des TiB: Gibt es einen Zeitplan, bis wann jetzt mit kleinen Programmen über die cloud schung. Es gibt einige Ansätze, aber bis Aidelsburger: Bei der Grundlagenfor- In dem Moment dachte ich mir, jetzt erst
Optimierungsproblems oder der Grundzu- Entscheidungen fallen sollen? einloggen und sehen kann, wie das alles jetzt keinen etablierten Weg. schung brauchen wir uns nicht verstecken, recht. Das Abi lief dann sehr gut und beim
stand für das simulierte Molekül. Aidelsburger: Nicht direkt. Ein Projekt funktioniert. Was aber jetzt von theoretischer Seite ent- aber man muss natürlich schon auch se- Studium war es ähnlich. Ehemalige Kommi-
zum Quantencomputer auf der Basis un- wickelt wird ist der Ansatz, dass man nicht hen, dass diese ganzen öffentlichen Auf- litonen hatten mir erzählt wie schwer das
TiB: Wo kommen wir an die Grenzen der serer Gitterplattform, das wir beim BMBF TiB: Wie ist die Situation bei der Ausbil- nur mit verschränkten Paaren von Qubits tritte in den USA, die von IBM oder Google Physikstudium ist und da dachte ich mir,
Simulation, was können wir dabei nicht so eingereicht haben, sollte in diesem Som- dung? arbeitet, sondern einige wenige Qubits getrieben sind, sehr massiv sind. Bei der das probiere ich. Ich denke, anfangs habe
gut lösen? mer loslaufen. Das ist natürlich auch su- Aidelsburger: Es gibt seit dem letzten Win- nimmt. Die sind stabiler und weniger fehler- Verwertung der Forschungsergebnisse ich vor allem die Herausforderung gesucht.
Aidelsburger: Ich denke die Grenzen der per, dass da jetzt nicht noch irgendwie tersemester einen zusätzlichen Quanten- anfällig. Da kann man sich auch vorstellen, sind wir nicht so gut. Wenn man auf diesem Immer wenn ich das Gefühl hatte, dass mir
Simulationen sind immer modellbasiert. ein Jahr dazwischen ist, sondern dass wir technologie Master-Studiengang, den wir dass auch noch deutlich effizientere Algo- Niveau mithalten möchte, dann brauchen das Andere nicht so richtig zutrauen, habe
Da ist einfach die große Frage, welche Mo- den Schwung mitnehmen und anfangen, an der LMU und TU entwickelt haben, und rithmen kommen werden. Es lässt sich im- wir Firmen und Startups die das machen, ich mir gedacht, jetzt erst recht.
delle kann man gut implementieren und also ich hoffe dass es auch klappt. der vereint jetzt alles was mit Quantentech- mer schwer vorhersagen, was in den näch- da braucht es einfach mehr. Uns fehlen in Während dem Studium hat mich dann aber
welche davon sind dann auch interessant nologien zu tun hat. Dabei ist es sehr wich- sten paar Jahren passiert. Man muss bei der EU, in Deutschland und in Bayern die doch sehr schnell die Faszination für die
für Anwendungen, die nicht rein auf Grund- tig zu definieren, was jemand, der später in aller Euphorie immer auch vorsichtig sein Startups. Aber ich glaube, dass die Rich- Quantenphysik gepackt. Im Nachhinein
lagenforschung beschränkt bleiben. diesem Bereich arbeiten soll, denn eigent- und sich bewusst machen, dass man hier tung durch die neuen Vernetzungen jetzt kann ich mich daran erinnern, dass ich das
lich können muss. Grundlagenforschung betreibt und keinen stimmt, aber das muss dann natürlich auch Thema auch schon während der Schulzeit
TiB: Das „Munich Quantum Valley“ soll exakten Projektplan formulieren kann. gefördert werden. In München läuft schon spannend fand, aber den Ausschlag ha-
Bayerns Beitrag zur nationalen und euro- TiB: IBM und Google sagen ja, dass sie einiges mit Industriepartnern. Interessant ben erste Experimente im Labor gegeben.
päischen Quantenstrategie werden. Sind schon einen Quantencomputer haben. TiB: Wie programmiert man einen Q-Com- ist für uns, dass die Firma Bosch sich stark Für viele sind die Konzepte der Quanten-
durch die jüngste EU-Ausschreibung noch Was halten Sie von diesen Aussagen und puter auf den verschiedenen Ebenen und engagiert, die ist jetzt auch Partner in einem mechanik sehr abstrakt, da sie nicht unsere
wesentliche Aspekte hinzugekommen, warum machen wir dann überhaupt eine was tut sich bei der Entwicklung von höhe- unserer Projekte. Da geht es um Sensoren Erfahrungen im Alltag widerspiegeln. Nun
und wie ist der derzeitige Projektstand? eigene Entwicklung? ren Programmiersprachen? und um Materialforschung. stellen Sie sich vor Sie könnten Quanten-
Aidelsburger: Die EU Ausschreibung ist Aidelsburger: Das ist ein Missverständnis, Aidelsburger: Die Programmierung der physik direkt erleben – genau das machen
ohne Frage von großer Bedeutung für das an der Definition des Wortes „Quan- Qubits auf der physikalischen Ebene erfolgt TiB: VDI und VDE möchten an den Schulen wir tagtäglich in unseren Laboren! Einzelne
die europäische Zusammenarbeit im Be- tencomputer“ liegt. Die letzte veröffent- je nach Qubit-Erzeugung über Mikrowellen, die MINT Fächer, gerade auch für Mäd- quantenmechanische Teilchen kontrollie-
reich der Quantentechnologien. Für mich lichte Zahl ist 53 Qubits, mit denen sie Laserstrahlen, oder über elektrische und chen, stärker fördern. Wie sind Sie zur ren und manipulieren zu können ist einfach
persönlich war allerdings im Moment die Berechnungen durchgeführt haben. Das elektromagnetische Felder. Physik gekommen? unbeschreiblich.
bayerische Förderung und die vom Bund entspricht aber nicht der Definition eines Die Entwicklung höherer Programmierung Aidelsburger: Ich war auf dem sprachli-
und dem BMBF besonders relevant. Der Quantencomputers, weil die Gatteropera- geht im Moment eher in Richtung Python- chen Zweig am Gymnasium, wie man das Das Interview führten
wirklich große neue Schwung kam dann tionen natürlich fehlerbehaftet sind. Um Al- Software, da gibt es schon einiges online, wahrscheinlich als Mädchen auch eher Fritz Münzel, Walter Tengler und
vor kurzem mit Munich Quantum Valley, gorithmen laufen zu lassen, die dann auch z. B. von IBM, wo man sich einloggen und klassisch macht. Es hat mir auch wirklich Silvia Stettmayer
Foto: Silvia Stettmayer
da hat sich doch noch mal eine andere anwendungsrelevante Ergebnisse liefern,
Größenordnung aufgetan. müssen entweder die Gatteroperationen
Man darf auch die lokale Vernetzung nicht selber um Größenordnungen besser wer- "Einzelne quantenmechanische Teilchen kontrollieren und manipulieren zu
unterschätzen. Wir haben viele europä-
ische Partner mit denen wir sehr gut an
den, oder man muss fehlerkorrigierte
Qubits realisieren können. Die robustere
können ist einfach unbeschreiblich"
wichtigen Förderlinien zusammenarbei- Implementierung ist, viele physikalische
ten. Durch das Munich Quantum Valley TiB: Nach der Grundlagenforschung Qubits zu einem logischen Qubit zusam- erste Algorithmen programmieren kann. Spaß gemacht. Für die Leistungskurse
haben sich die verschiedenen Forschungs- kommt die Verbindung zu sinnvollen An- menzufassen. Das generiert einen relativ Die Sprache ist sehr beliebt, die Studenten K12/K13 hatte ich meine Lehrer gefragt, ob Zur Person
gruppen lokal sehr stark vernetzt, auch mit wendungen und zum industriellen Einsatz. großen Overhead, man ist schnell beim kennen sie alle. Der nächste Schritt wäre ich auch Mathe und Physik als Leistungs-
Prof. Dr. Monika Aidelsburger studierte Physik
den lokalen Firmen, das ist doch noch mal Wie gut funktioniert die Achse Wissen- Faktor 1000 bis 10.000. Mit 50 physikali- jetzt zu schauen, ob es Sinn macht, noch kurse wählen könnte, da mir das besonders
und wurde 2015 mit „summa cum laude“ an der
was ganz anderes. Was da in die Wege schaft und Industrie bereits jetzt? schen Qubits hätte man dann also nicht einen weiteren Layer darüber zu legen, evtl. gut liegt. Mir hat dabei immer besonders Ludwig-Maximilians-Universität München pro-
geleitet wurde und wie viel Motivation jetzt Aidelsburger: Ja, das war bisher im- einmal ein einziges logisches Qubit. Die mit einer grafischen Benutzeroberfläche. gefallen, dass Mathematik und Physik sehr moviert. Seit 2019 hat sie dort eine Professur für
Synthetische Quantenmaterie inne. Ihre Arbeit ist
auch dahintersteckt, ist schon eine ganz mer unser schwächster Punkt. Es gibt in Alternative wäre, dass die Gatteroperatio- klar definierten logischen Regeln folgen. bereits mit hochrangigen Förderungen und Aus-
andere Dimension. Deutschland relativ wenige Startups. nen selber um so viel besser werden. Aber TiB: Wird es in Zukunft eine Norm oder ei- Es gibt eine klare Lösung, d.h. das Ergeb- zeichnungen gewürdigt worden.
das scheint eher unrealistisch zu sein. Es nen Standard geben? nis ist entweder richtig oder falsch. Auch
In diesem Jahr wird Monika Aidelsburger Träge-
TiB: Man versucht Bayern voranzubringen, Aber die Lage verbessert sich jetzt lang- gibt einfach noch keinen etablierten Weg. Aidelsburger: Das ist zu hoffen, aber ich Sprachen haben mir immer sehr viel Spaß rin des Alfried Krupp-Förderpreises 2021 – eine
und Bayern hat nochmal kräftig drauf- sam, denn durch die bayerischen und Wir befinden uns noch in der Grundlagen- denke es ist einfach noch nicht soweit. gemacht, aber es ist ein großer Unterschied der bedeutendsten wissenschaftlichen Aus-
zeichnungen in Deutschland. Er ist mit 1 Mio. €
gesattelt mit den Fördergeldern. BMBF Förderlinien ist doch sehr viel los- forschung und die ist äußerst wichtig und Innerhalb Europas wird es wohl einen ge- einen Aufsatz zu schreiben, oder im Gegen- dotiert. Bei der Ausgabe dieser Mittel für ihre For-
Aidelsburger: Das merkt man natürlich getreten worden. Auch die Achse mit der darf nicht übersprungen werden. meinsamen Standard geben, global muss satz dazu ein mathematisches Problem zu schung in den kommenden fünf Jahren genießt
schon. Aber es ist auch extrem teuer Industrie ist jetzt im Aufbau, aber da müs- man dann erstmal sehen, wie sich die ver- lösen. Da gibt es nicht einfach richtig und die Preisträgerin größtmögliche Freiheit.
und aufwändig diese Sachen zu entwi- sen wir von der Grundlagenforschung aus TiB: Wo stehen wir bei den fehlerkorrigie- schiedenen Ansätze weiterentwickeln. falsch. Meine Lehrer waren anfangs eher Wir gratulieren sehr herzlich zu dieser Auszeich-
ckeln, selbst 2 Milliarden, auch wenn sich natürlich auch erstmal liefern. Wir müssen renden Verfahren? zurückhaltend und haben mit erklärt, dass nung!
das nach viel anhört, sind in dem großen erstmal etwas haben, womit man erste Be- Aidelsburger: Meines Wissens wurde TiB: Wo stehen wir denn generell in der es schwierig sein könnte, Mathe und Physik
Quelle: Pressemitteilung der Alfred Krupp von Bohlen und
Bereich Quantencomputer-Entwicklung rechnungen, auch wenn es nur kleine sind, eine wirkliche Implementierung noch nicht Quantenforschung, verglichen mit Europa als Leistungskurse zu wählen, da ich mich Halbach Stiftung v. 22.06.2021, gekürzt
schnell aufgebraucht. laufen lassen kann und wo man sich dann gezeigt, das ist noch Gegenstand der For- und mit der Welt? davor auf Sprachen konzentriert habe.
10 Technik in Bayern 05/2021 Technik in Bayern 05/2021 11
SCHWERPUNKT
Quantencomputer trifft
Halbleitertechnik
Q
uantentechnologien der zweiten Grundlagen des Quantencomputers für Redundanz vervielfältigen. Trotzdem
Generation und ihre aktive Nut- Die Idee, Quantenphänomene zur Lösung sind Fehler korrekturverfahren möglich,
Alle Abb.: Infineon Technologies Dresden
zung und Manipulation quanten- von Rechenaufgaben heranzuziehen, wur- allerdings für den Preis eines erheblichen
mechanischer Effekte bilden die Basis de erstmals in den 1980er Jahren unter Mehraufwandes in der Qubit-Anzahl. Ein
für elektronische Bauelemente, die für zu- anderem vom Physiker und Nobelpreis- aus Millionen Qubits bestehendes Sys
künftige industrielle Produkte Schlüssel- träger Richard P. Feynman geäußert [1]. tem steht somit vor gewaltigen technolo-
charakter haben können. Spektakulär waren dann in den 1990er gischen Herausforderungen.
Jahren erste theoretische Algorithmen Vergleicht man den aktuellen Stand der Abb. 2: Quantenbus. Die Quanteninformation wird in einem beweglichen
Quantenpunkt zur Wechselwirkung mit benachbarten Qubits transportiert
Einführung mit exponentiellem Rechenleistungsvor- Quantencomputer mit den ersten Digital-
Dabei verspricht vor allem das Feld des teil, womit plötzlich etwa für sicher gehal- rechnern der 1940er Jahre, so ergeben
Quantencomputing eine revolutionäre tene kryptographische Methoden infrage sich viele Analogien: Relais oder Elektro- de Schaltungen für das Quantencompu- Qubus viele weitere Parameter über die wirkliche
Entwicklung mit dem Potenzial, bisher gestellt wurden. nenröhren waren teuer und unzuverläs- ting zu nutzen. Dabei wird auch auf spe- Für einen funktionsfähigen Quantenpro- Leistungsfähigkeit eines Quantencompu-
unlösbar erscheinende mathematische Einer der Gründe für diese enorme Leis- sig, und auf den ersten Systemen liefen zielles Fertigungsknowhow zur kontrol- zessor ist zusätzlich eine Kopplung zwi- ters entscheiden. Zusätzlich wird im vier
Probleme zu bewältigen. So sind bei- tungsfähigkeit ist der hohe Informations- nur wenige Applikationen. Erst mit der lierten Herstellung von Tunnelbarrieren schen den Qubits erforderlich. Bei Spin- Jahre laufenden QLSI-Projekt der europä-
spielsweise der Simulation von chemi- gehalt der grundlegenden Bausteine von Erfindung des Halbleiter-Transistors war innerhalb der Metallisierung zurückge- Qubits können dazu beispielsweise die ischen Quantum Flagship Initiative ein 16
schen Reaktionen selbst durch die leis- Quantencomputern, den Quantenbits das ideale Bauelement gefunden, mit griffen, das bereits für Magnetsensoren jeweiligen Elektronen so nah aneinander Qubit Demonstrator und der Cloud-Zugriff
tungsfähigsten klassischen Computer oder Qubits. Im Gegensatz zum klassi- dem das Computerzeitalter Fahrt auf- höchst erfolgreich eingesetzt wird. gebracht werden, dass sie gegenseitig für Anwender entsprechender Systeme
enge Grenzen gesetzt, die ein Quanten- schen Bit kann ein Qubit gleichzeitig un- nahm. Bei den Qubits existiert allerdings Darüber hinaus wird bei Infineon in Dres- wechselwirken. Da bei begrenzter Fläche erarbeitet.
computer überwinden kann. terschiedliche Zustände annehmen. Prin- bisher noch keine vergleichbare etablierte den an Qubits basierend auf SiGe-Hetero- hierbei sehr schnell massive Verdrah- Neben dem eigentlichen Quantenchip be-
Aktuelle Systeme, sogenannte NISQ zipiell lässt sich in einem Quantencompu- Technologie. strukturen in Silizium gearbeitet. Diese tungsprobleme entstehen, benötigt man nötigt ein vollwertiger Computer geeigne-
(Noisy Intermediate-Scale) Quantum ter mit all diesen Zuständen gleichzeitig zeichnen sich nicht nur durch eine hohe auch Qubit-Kopplungen über größere te Software und eine große Anzahl weite-
Computer, haben allerdings noch hohe rechnen, was eine unglaubliche Paralleli- Qubits und Technologieansätze Robustheit und Schnelligkeit aus. Durch Entfernungen. Mit einem solchen Quan- rer Hardware-Komponenten, idealerweise
Fehlerraten und eine sehr beschränkte sierung ermöglicht. Für die Realisierung von Qubits sind viele Ihre Kompatibilität mit den Herstellungs- tenbus wäre ein skalierbares Konzept für auf einem gemeinsamen Chip. Die Vortei-
Leistung. Trotzdem kann schon mit die- physikalische Systeme geeignet, sofern prozessen fortgeschrittener CMOS-Tech- nahezu beliebige Qubit-Konnektivität ge- le von siliziumbasierten Spin-Qubits für
sen Systemen für sehr spezielle, rein aka- Die tatsächliche Umsetzung solch eines sie bestimmte Eigenschaften erfüllen. nologien weisen sie außerdem ein hervor- währleistet. solch eine Integration liegen dabei auf
demische Fragestellungen im Experiment Rechners unterlag jedoch lange Zeit ei- Darunter fällt beispielsweise die Notwen- ragendes Skalierungspotenzial auf. In Zusammenarbeit vor allem mit der der Hand.
gezeigt werden, dass Quantencomputer ner gewissen Skepsis. Quantenzustän- digkeit, sie in einen vorgegebenen Aus- RWTH Aachen, dem IHP und Fraunhofer
einen klassischen Computer übertreffen de sind extrem fragil und lassen sich gangszustand zu bringen, oder die An- Hauptbestandteil ist dabei ein sogenann- IPMS entwickelt Infineon hierfür im Rah- Dr. Wolfram Langheinrich
können. weder zwischendurch überprüfen noch forderung, dass sie einen Zustand lange ter Quantenpunkt, bei dem ein zweidimen- men zweier Förderprojekte eine Quan- Principal Engineer Technology Develop-
genug für viele Rechenoperationen halten sionaler Elektronensee mit Hilfe geeigne- tenbus-Architektur, mit der Qubit-Infor- ment, Infineon Technologies Dresden
können [2]. Allen Technologieplattformen ter Gatterelektroden derart eingeschnürt mationen mittels einer linearen Kette von Claus Dahl
ist jedoch gemein, dass noch viele Her- wird, bis schließlich nur noch ein einziges Quantenpunkten über längere Distanzen Director Technology Development Auto-
ausforderungen auf dem Weg zu einem Elektron übrigbleibt (Abb. 1). Der Eigen- übertragen werden können (s. Abb. 2). motive Sensors,
leistungsfähigen, universellen Quanten- drehimpuls (Spin) dieses einzelnen Elek- Wie in einer Eimerketten-Schaltung wird Infineon Technologies Dresden
computer gelöst werden müssen. trons ist ein Quantensystem, das die In- das Elektron dabei von einem Punkt Dr. Sebastian Luber
Infineon verfolgt hierbei mehrere tech- formation eines Qubits trägt. Verglichen zum nächsten befördert, wobei eine Senior Director Technology and Innova-
nologische Ansätze. Am Standort Vil- mit anderen Ansätzen sind Spin-Qubits große Herausforderung darin besteht, tion, Infineon Technologies AG, Neubiberg
lach wird an Bauteilen für Ionen basierte noch eine relativ junge Variante. Erst den Quantenzustand auf der gesamten
Quantencomputer geforscht, mit Fokus durch wichtige Fortschritte im Wachstum Strecke zu erhalten.
auf skalierbaren Architekturen zur Reali- der Strukturen und durch die Verwendung Im seitens des BMBF geförderten Projekts Referenzen
sierung von Quantenprozessoren. von isotopisch reinem 28Si zur Unter QUASAR nehmen sich die Projektpartner
Insbesondere an den Standorten Mün- drückung unerwünschter Kopplungen mit dabei vor, alle wesentlichen Elemente [1]
Feynman, Richard. Simulating Physics with
Computers. International Journal of Theoreti-
chen und Regensburg arbeitet Infineon Atomkernen konnten die Eigenschaften solch einer skalierbaren Mikroarchitektur cal Physics. 21 (6/7): 467–488 (1982)
unter anderem mit dem Walther-Meißner- der Qubits so weit verbessert werden, bis Anfang 2025 zu zeigen. Das ist der [2] Divincenzo D.P. Topics in Quantum Compu-
Institut (WMI) der Bayerischen Akademie dass sie als ernsthafter Kandidat für ei- erste Schritt auf der angestrebten Weiter- ters. In: Sohn L.L., Kouwenhoven L.P., Schön
G. (eds) Mesoscopic Electron Transport. vol
Abb. 1: Spin-Qubit in Si/SiGe Strukturen. Ein einzelnes Elektron ist im Potentialtopf eines Quanten- der Wissenschaften und dem finnischen nen leistungsfähigen Quantencomputer entwicklung zu mehr als 1000 Qubits, wo- 345. (1997)
punktes gefangen. Die Spin-Orientierung repräsentiert die Quanteninformation Startup IQM zusammen, um supraleiten- gelten. bei neben der reinen Qubit-Anzahl noch
12 Technik in Bayern 05/2021 Technik in Bayern 05/2021 13
SCHWERPUNKT SCHWERPUNKT
Quantensensoren
Es muss nicht immer
Quantencomputing sein
Quelle 2a: Jens Anders, Universität Stuttgart,
2b: Khubaib Khan, Universität Stuttgart
D
ie Quantentechnologien sind der- dings herrscht beim in der Öffentlichkeit industriellen als auch im Verbraucherbe-
zeit in aller Munde und werden viel diskutierten Thema des Quantencom- reich zu decken und als erste Quanten-
unseren Alltag verändern. Insbe- puting in der wissenschaftlichen Fach- technologie Einzug in unseren Alltag zu Abb. 2: (a) Konzeptionelle Darstellung eines chip-integrierten Sensors für NV-Zentren in Diamant. (b) Mikrograph des in (a) dargestellten CMOS-Chips
sondere die Quantensensorik verspricht welt Konsens, dass mit ersten universell halten.
dabei erste Serienprodukte am Markt in- einsetzbaren Quantencomputern erst in
nerhalb der nächsten fünf Jahre. einigen Jahrzehnten zu rechnen ist [2]. Warum sind Quantensensoren so
präzise? sogar direkt die Struktur unbekannter Mo- heutige MEMS-basierte Inertialsensoren können die verbesserten Quantensenso-
Die Quantentechnologie ist ein junges, Im Gegensatz dazu bietet der Bereich der Quantensysteme wie z. B. angeregte Ato- leküle zu ermitteln. Die oben erwähnten von der Langzeitstabilität zukünftiger ren nahtlos in bestehende Infrastrukturen
prosperierendes Forschungsgebiet, das Quantensensorik ein hohes Potenzial für me (Rydbergatome) oder gewisse Defekte Rydbergatome können z. B. für die hoch- Quanteninertialsensoren profitieren und eingebettet werden. Ein Beispiel hierfür
grundlegende Konzepte der Quanten- erste industrierelevante Anwendungen in Festkörpern (z. B. Stickstofffehlstellen selektive und zugleich ultra-empfindliche so wichtige Beiträge zum autonomen wäre der Einsatz von Verfahren des ma-
physik mit praktischen Aspekten der Inge- innerhalb der nächsten fünf Jahre. Quan- in Diamant, sog. NV-Zentren) reagieren Messung von Gasen genutzt werden und Fahren leisten. schinellen Lernens im digitalen Backend.
nieurwissenschaften verbindet, um neu- tensensoren weisen eine herausragende sehr empfindlich mit einer Änderung ih- ermöglichen zusätzlich die kalibrations- Die genannten Integrationsmaßnahmen
artige Technologien zu entwickeln. Dabei Empfindlichkeit auf, d. h. sie ermöglichen rer inneren Quantenzustände auf äußere freie Messung von elektrischen Feldern. Quantensensoren auf dem Weg zur für Quantensensoren erfordern dabei
werden Quanteneffekte wie die Ver- Detektionsschwellen am Rande des fun- Einflüsse wie z. B. magnetische und elek- Im Prinzip gibt es keine Messgröße die Marktreife erhebliche Forschungs- und Entwick-
schränkung zwischen Photonen oder die damental Möglichen. Im Gegensatz zu trische Felder oder die Umgebungstem- nicht mit Quantensensoren gemessen Trotz bedeutender Fortschritte in der lungsaufwände, welche derzeit u. a.
diskreten Energiezustände von Atomen Quantencomputern reicht bei Quanten- peratur. Diese winzigen Änderungen der werden könnte. Grundlagenforschung steckt die Quan- durch dedizierte Ausschreibungen des
genutzt, um innovative Ansätze zur Kom- sensoren oftmals ein einzelnes Quanten- inneren Energiezustände können dann tensensorik technologisch gesehen Bundesministeriums für Bildung und
munikation, Sensorik, Simulation oder bit (Qubit), um den Quantenvorteil gegen- äußerst präzise ausgelesen werden, da Zukünftige Anwendungen der Quanten- nach wie vor in den Kinderschuhen. Es Forschung (BMBF) mit beträchtlichen
zum Rechnen/Computing zu entwickeln, über klassischen Systemen zu erzielen. die Energieänderungen über die Planck- sensorik gibt zwar bereits erste Quantensenso- Fördersummen unterstützt werden. Als
die keine Entsprechungen im Gültigkeits- Zudem arbeiten die in Quantensensoren sche Beziehung E=h*f als eine Frequen- Obwohl sich die Quantenwissenschaften rik-Produkte von Start-up Unternehmen ein Beispiel sei hier der BMBF-geförderte
bereich der klassischen Physik haben. zum Einsatz kommenden Qubits auch bei zänderung von Photonen messbar sind insgesamt in vielen Fällen noch im Sta- auf dem Markt [3], aber die meisten der Zukunftscluster „QSens – Quantensenso-
Das immense Potenzial der Quantentech- Zimmertemperatur zuverlässig, so dass – also einer Größe, die mit höchster Ge- dium der Grundlagenforschung befinden, Kandidaten für zukünftige kommerzielle ren der Zukunft“ in der Region Stuttgart-
nologien ist dabei unbestritten und die sie, im Gegensatz zum Quantencomputer, nauigkeit messbar ist (Abb. 1). Darüber gibt es gerade im Bereich der Quanten- Quantensensoren befinden sich gerade Ulm genannt, welcher sich unter starker
Quantentechnologien werden sowohl von ohne spezielle Kühlung auskommen. Da- hinaus ermöglichen die Quantensensoren sensorik bereits erste vielversprechen- erst auf dem Sprung heraus aus den Phy- Beteiligung der regionalen Industrie die
führenden Unternehmen als auch von po- mit sind Quantensensoren ideale Kandi- oftmals eine direkte Rückführbarkeit der de Ansätze, die bei Messungen im For- siklaboren. Um das immense Potenzial Überführung der Quantensensorik in den
litischen Entscheidungsträgern als Tech- daten, um den stetig wachsenden Bedarf Messgröße auf physikalische Konstanten schungslabor ein immenses Potenzial für der Quantensensorik voll ausschöpfen Markt zum Ziel gesetzt hat.
nologien der Zukunft eingestuft [1]. Aller- an höchstpräziser Sensorik sowohl im wie das Plancksche Wirkungsquantum h zukünftige Anwendungen zeigen. Beispie- zu können, muss als nächster Schritt die
und ermöglichen so eine kalibrationsfreie le hierfür sind revolutionäre Empfindlich- skalierbare und reproduzierbare Ferti- Prof. Dr. Jens Anders
Rückführung auf die SI-Einheiten, wo- keitssteigerungen in der medizinischen gung der eigentlichen Quantensensoren Universität Stuttgart
durch zukünftig erhebliche Kosten einge- Diagnostik, ultrakompakte und präzise zu kompetitiven Kosten gewährleistet Direktor des Instituts für Intelligente Sen-
spart werden können. Quantensensoren für autonome Fahrzeu- werden. Parallel dazu muss ebenfalls sorik und Theoretische Elektrotechnik
ge oder neue Zeitnormale für die hoch- die mikroelektronische und photonische und Vizedirektor des Institut für Mikro
Was lässt sich mit Quantensensoren präzise Navigation (Quantenmetrologie). Integration der Kontroll- und Auslese- elektronik Stuttgart (IMS CHIPS)
messen? So zeichnet sich bereits heute klar ab, peripherie der Quantensensoren voran-
Prinzipiell sind alle physikalischen Größen dass neue Quantensensoren mittelfristig getrieben werden, da nur so die Möglich- Quellen
Quelle: Jens Anders, Universität Stuttgart
der direkten Messung durch Quantensen- in der Lage sein werden, die Magnetfelder keit besteht, Quantensensoren soweit zu
[1] https://www.bosch.com/research/fields-of-
soren zugänglich. So lässt sich allein das der neuronalen Ströme im menschlichen miniaturisieren, dass sie in alltäglichen
innovation/quantum-technologies/, https://
oben erwähnte NV-Zentrum in Diamant Gehirn zu vermessen, um so Krankhei- Anwendungen zum Einsatz kommen kön- www.airbus.com/innovation/future-technolo-
als hochpräziser Sensor für magnetische ten wie Alzheimer oder Parkinson besser nen. Zusätzlich stellen die mikroelektro- gy/quantum-technologies.html, https://www.
bmbf.de/upload_filestore/pub/Quantum_
und elektrische Felder, Drücke und Tem- zu verstehen. Ebenso werden Quanten- nische und photonische Integration eine technologies.pdf
peraturen nutzen (Abb. 2). Darüber hin- sensoren in hybriden Systemen heutige Schnittstelle bereit, die eine Einbettung [2] h ttps://www.spiegel.de/netzwelt/web/
aus lassen sich NV-Zentren z. B. auch ein- MEM-Systeme (Mikro-Elektronisch-Me- der eigentlichen Quantensensoren in ein googles-quantenueberlegenheit-praktisch-
Abb. 1: Illustration eines Qubit für die Quantensensorik. Die Messgröße ändert entweder den nutzlos-a-1292904.html
Abstand der Energieniveaus und damit die Resonanzfrequenz f0 (links) oder der Emissionsrate setzen, um die Konzentration bestimmter chanische-Systeme) komplementieren intelligentes Sensorkonzept im Sinne ei- [3] https://quspin.com/, https://qnami.ch/
von Photonen Γ (rechts) Stoffe in Lösungen zu bestimmen oder oder ersetzen. Beispielsweise können nes „Smart Sensors“ ermöglicht. Nur so
14 Technik in Bayern 05/2021 Technik in Bayern 05/2021 15
SCHWERPUNKT
PushQuantum: Mehr als nur ein
Quäntchen Bildung
D
ie junge Initiative PushQuantum neuen, wegweisenden Durchbrüchen un- Kursen, Workshops und Vorträgen von
bietet in Deutschland und Europa ter anderem in der Entwicklung von neu- Experten aus Industrie und Forschung
angewandtes Wissen in Quanten- artigen Materialien sowie zu besserem zurückgreifen (Abb. 1). Ein Teil des An-
technologien für Studierende an. Machine Learning führen kann. gebots steht auch Mitgliedern offen, die
(noch) nicht Mitglied von PushQuantum
In diesem Moment spielt sich vor unseren PushQuantum ist eine junge studentische sind. PushQuantum berücksichtigt die
Augen eine Revolution ab. Es ist eine Re- Initiative und hat sich zum Ziel gesetzt unterschiedlichen fachspezifischen Qua-
Alle Abb.: pushquantum
volution in der Welt der kleinsten Teilchen, diese zweite Quantenrevolution aktiv mit- lifikationen der Studierenden, von A1
die den Gesetzen der Quantenmechanik zugestalten. Während wir als Europäer in für Quanten-Beginner bis hin zu C1 für
folgen. Vor rund einhundert Jahren wur- der Grundlagenforschung in der absolu- die Spezialist:innen unter unseren Mit-
den die Grundlagen der Quantenphysik ten Weltspitze mitspielen, liegen wir bei gliedern. Gegenwärtige Flaggschiffe im
von Physikern wie Max Planck, Erwin der Anzahl der Patente und gegründeten Programm von PushQuantum sind das Abb. 2. Virtuelles Gruppenbild mit den Teilnehmenden am Kurs Quanten-Entrepreneurship-Labor (QEL) im Wintersemester 2020/2021
Schrödinger und Werner Heisenberg ent- Start-Ups weit zurück hinter den USA und Quanten-Entrepreneurship-Labor (QEL)
deckt – eine erste Quantenrevolution. China. Nur wer das Wissen aus der For- (B1), sowie die Leadership-in-Quantum-
Diese brachte der Welt wegweisende schung auch in die Anwendung bringt, Vortragsreihe (A1/A2). jungen Talenten einen Einblick in die Kar- wird es abwechslungsreiche Veranstal- Business-Bereiche stützt. Somit sind die
Technologien, wie den Laser oder den kann die Spielregeln der Technologie rierepfade von Führungskräften aus ver- tungen zum Networking der Mitglieder Zielgruppe von PushQuantum in erster
Transistor, und legte somit den Grund- maßgeblich mitgestalten. Dies war beim Beim Quanten-Entrepreneurship-Labor schiedenen Bereichen der Quantenwis- von PushQuantum untereinander geben. Linie Masterstudierende und Promovie-
stein für die Entwicklung des Computers Internet mit den großen IT-Konzernen wie (QEL) handelt es sich um einen ein- senschaften und -technologien zu geben. rende aus diesen Bereichen.
und die digitale Revolution. Google, Facebook und Amazon der Fall semestrigen, projektbasierten Kurs, den In der ersten Vortragsreihe im Frühjahr Gegenwärtig ist PushQuantum insbeson-
Heute verstehen wir die Gesetze der und wird beim Quantencomputer ähnlich PushQuantum gemeinsam mit Unter- 2021 teilten fünf verschiedene Dozenten dere in München aktiv. In München bün- Der Aufbau einer Community von quan-
Quantenmechanik nicht nur immer bes- sein. Insbesondere in Deutschland soll- nehmerTUM und den TUM Venture Labs, aus Industrie und Forschung ihre Erfah- deln sich relevante Spitzenforschung und tentechnologie-affinen Studierenden war
ser, sondern machen sie uns auch aktiv ten wir besser darin werden, Weltklasse- den Gründungs- und Innovationszentren rung, wie zum Beispiel Prof. Dr. Ignacio Industrie, außerdem wird mit der Munich- in Zeiten der Corona-Pandemie natürlich
zu Nutze, um Technologien zu entwi- Forschung auch in die industrielle An- der Technischen Universität München, Cirac, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantum-Valley-Initiative ein weiteres, eine besondere Herausforderung für uns
ckeln, die das volle Potential der Quanten- wendung zu überführen. Die Mission von organisiert. Ziel des QEL ist es, den Quantenoptik, oder Dr. Noel Goddard, Vor- starkes Wachstum in den nächsten Jah- bei PushQuantum. Mit unseren Mitglie-
physik ausnutzen. Diese zweite Quanten- PushQuantum ist es, diese Brücke zwi- Teilnehmer:innen praktische Fähigkeiten standsvorsitzende beim amerikanischen ren erwartet. Ziel dieser Initiative ist es, dern war dies jedoch auch virtuell eine
revolution, oft Quantum 2.0 genannt, ist schen Theorie und Praxis zu bauen und im Bereich Quantentechnologien und Quantum-Internet-Unternehmen Qunnect. München als vorrangiges europäisches tolle Erfahrung. Gleichzeitig hoffen wir
mittlerweile in vollem Gange. So wie die unseren Mitgliedern anwendungsnahes Unternehmertum zu vermitteln. Die Teil- Jeder Vortrag beinhaltet eine ausführ- Zentrum für Quantenwissenschaften und natürlich sehr ab Herbst wieder Veran-
erste Quantenrevolution das 20. Jahrhun- Wissen in Quantentechnologien zu ver- nehmenden entwickeln hierfür in kleinen, liche Frage-und-Antwort-Runde, um den -technologien zu etablieren. Hierfür stellt staltungen in Person anzubieten, damit
dert prägte, hat Quantum 2.0 das Poten- mitteln. interdisziplinären Teams einen Quanten- Teilnehmenden die Möglichkeit zu geben, der Freistaat Bayern in den nächsten fünf unsere Mitglieder noch leichter Netzwer-
tial, das 21. Jahrhundert maßgeblich zu Hierfür setzt PushQuantum an mehre- software-Prototypen für industrierele- den Experten auch ihre ganz persönlichen Jahren insgesamt 300 Millionen Euro zur ke untereinander knüpfen können.
beeinflussen. Eine besonders zentrale ren Punkten gleichzeitig an. Die Mitglie- vante Anwendungen eines Quantencom- Karrierefragen zu stellen. Verfügung, davon 120 Millionen Euro be- Eine Revolution gestaltet sich am besten
Quantentechnologie ist der Quantencom- der von PushQuantum können auf ein puters. Außerdem erarbeiten sie Strate- reits in den Jahren 2021 und 2022. gemeinsam. Interessierte Studierende
puter, von dem erwartet wird, dass er zu breitgefächertes Bildungsangebot aus gien für den kommerziellen Einsatz ihrer Nach nun mehr als einem Jahr nach sei- insbesondere an den Münchner Hoch-
Produktideen. Betreut werden die Teams ner Gründung kann PushQuantum somit Über München hinaus engagiert sich schulen, aber auch darüber hinaus, sind
von Spezialisten im Bereich der Quanten- bereits auf mehrere erfolgreiche Projek- PushQuantum auch jetzt schon in weite- daher herzlich eingeladen Teil von Push-
wissenschaft sowie von angesehenen te zur Weiterbildung junger Talente im ren Städten, insbesondere in Berlin. Für Quantum zu werden und unser Angebot
Partnern aus der Industrie. Partner- Bereich der Quantenwissenschaften und die Zukunft möchten wir ein ausgedehn- zu nutzen. Außerdem sind wir stets daran
unternehmen des QEL waren bislang un- -technologien zurückblicken. Für die kom- tes und vertieftes Angebot auf weitere in- interessiert die Reihe unserer innovativen
ter anderem IQM, Airbus, Volkswagen und menden Monate gibt es schon zahlreiche ternationale Städte ausweiten. In diesem Kooperationspartner zu erweitern.
E.ON. Nach dem großen Erfolg des ersten neue Projekte und Ideen bei PushQuan- Kontext ist uns eine internationale und
QEL im Wintersemester 2020/2021 ist tum. So werden wir das Angebot für un- diverse Community sehr wichtig. Auch in Get in touch: info@pushquantum.tech
nun geplant, den Kurs regelmäßig in je- sere Mitglieder durch weitere Kurse und Bezug auf die Fachdisziplin der Mitglieder
dem Semester durchzuführen. Workshops im Bereich Quantumcom- verfolgt PushQuantum eine vielseitige Franz von Silva-Tarouca
puting stark ausbauen. Darüber hinaus Rekrutierungspolitik. Die Entwicklung von Masterstudent an der TU München
Die Vortragsreihe Leadership in Quantum arbeiten wir an der Organisation eines Quantentechnologien ist ein höchst inter- Benjamin Schiffer
Abb. 1. Das Weiterbildungsprogramm von PushQuantum mit verschiedenartigen Angeboten für organisiert PushQuantum in Kooperation Events mit dem Ziel Industrie, Forschung disziplinäres Unterfangen, welches auf Doktorand am Max-Planck-Institut für
anwendungsnahes Wissen in Quantentechnologien mit QuantX. Ziel der Vortragsreihe ist es, und Studierende zu vernetzen. Außerdem die Synergie aller MINT-Bereiche sowie Quantenoptik
16 Technik in Bayern 05/2021 Technik in Bayern 05/2021 17
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