Quantentechnik Eventkalender & Aktuelles Richtiges Licht VDI Award "Prädikat Ingenieurskunst" - Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt ...
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NACHRICHTEN AUS TECHNIK, NATURWISSENSCHAFT UND WIRTSCHAFT
05/2021 SEP/OKT
Das Regionalmagazin für und
Quantentechnik
Technik in Bayern 05/2021_25/08/2021_HTML5_01/09/2021
Eventkalender & Aktuelles
Richtiges Licht
VDI Award „Prädikat Ingenieurskunst“
München
München
München
München
24.–25.
24.–25. November
24.–25.November 2021
November2021
2021
24.–25. November 2021
Die
Die
Die Fachmesse
Fachmesse
Fachmesse für
für
für
Die Fachmesse
Zutrittskontrolle
für
Zutrittskontrolle
Zutrittskontrolle
Zutrittskontrolle
Videoüberwachung
Videoüberwachung
Videoüberwachung
Videoüberwachung
Brandschutz
Brandschutz
Brandschutz
Brandschutz
Perimeter Protection
Perimeter
PerimeterProtection
Protection
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IT-Security Protection
IT-Security
IT-Security
IT-Security
Technik in Bayern 05/2021_25/08/2021_HTML5_01/09/2021
www.sicherheitsexpo.de
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EDITORIAL
Internationale Fachmesse
• Ideen
Die Heinzel-
• Erfindungen
• Neuheiten
4.-7. Nov. 2021
Foto: Silvia Stettmayer
männchen vom Halle 12
Quantum Valley iena.de
Dipl.-Ing. Fritz Münzel
Chefredakteur
4.+ 5. 11. 2021
E
in bisschen ist es mit den der Wissenschaften, die Fraunhofer-
Quanten wie mit den Heinzel- Gesellschaft, die LMU München und
männchen. Sie verrichten ihre die Max-Planck-Gesellschaft zu den
Arbeit schnell und im Verborgenen, Gründern des Netzwerks. Messe Nürnberg ∙ NCC West
lieben die Dunkelheit, und wenn sie Über den Computer hinaus geht es
gestört werden verschwinden sie dabei um weitere interessante und
gleich wieder. praxisnahe Anwendungen: Sensorik,
Die Idee ist schon alt, aber erst in Medizintechnik, Kommunikations-
neuerer Zeit ist es möglich gewor- technik und Radartechnik gehören
den, einzelne Quantenobjekte wie dazu. Neben einer Förderung vom
Atome oder Ionen zu beobachten, Freistaat über 300 Mio. Euro für die
zu manipulieren und für technische nächsten fünf Jahre sind Mittel vom
Anwendungen nutzbar zu machen. Bund und der EU zugesagt.
Diese sog. Zweite Quantenrevolution Zehn deutsche Konzerne haben mit
ist wissenschaftlich hochinteressant, Gründung des Quantum Techno-
aber noch interessanter für uns In- logy and Application Consortium
genieure ist es, dass technische An- (QUTAC) eine gemeinsame Grund-
wendungen bereits vorhanden sind lage für die Entwicklung von Quan- • Perspektiven schaffen. Jetzt!
oder an der Schwelle stehen. Die pro- tencomputing-Technologien gelegt.
• Innovationen erfolgreich
minenteste davon ist der Quanten- Man will es diesmal nicht verschla-
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“Technik
will in den kommenden
in Bayern zehn LED-Lampe oder den Computertomo-
05/2021_25/08/2021_HTML5_01/09/2021
Jahren die Entwicklung der Quanten- graphen. 6. + 7. November 2021
wissenschaft und -technologie weiter
vorantreiben. Neben der TU München
gehören die Bayerische Akademie
Technik in Bayern 05/2021 3
Quantentechnik
Abb.: Christoph Hohmann / MCQST
Kürzlich wurde das „Munich Quantum Valley“ ge-
gründet, eine Initiative, um die Quantentechnik vor-
anzubringen. Sie beschäftigt sich u. a. mit künftigen
Revolutionen bei der Kommunikationstechnik, der
Datensicherheit, der Sensorik und der Rechentechnik.
Quantenlichtquelle, entwickelt vom Exzellenzcluster MCQST an der TU München
SCHWERPUNKT
Quantentechnologien machen
seltsame Effekte nutzbar 06
Tommaso Calarco, Daniele Binosi
Wir machen das Quanten-Bios 09
Gespräch mit Monika Aidelsburger
Quantencomputer trifft Halbleitertechnik 12
Wolfram Langheinrich, Sebastian Luber
Es muss nicht immer Quantencomputing sein 14
Jens Anders
PushQuantum: Mehr als nur ein Quäntchen Bildung 16
Franz von Silva-Tarouca, Benjamin Schiffer
Quantenradar 18
Frank Deppe, Kirill Fedorov, Achim Marx, Kedar Honasoge, Markus
Peichl, Florian Bischeltsrieder, Wolfgang Utschick, Johannes Russer,
Michael Würth, Baris Güzelarslan, Fabian Kronowetter
Quantenoptik – die Zukunft der Mikroskopie? 20
Markus Gräfe
Magnetisches Kühlen in der Quantentechnologie
Felix Rucker
22 S. 12
Von Quantenkopierern und Überlichtgeschwindigkeit 24
Technik in Bayern 05/2021_25/08/2021_HTML5_01/09/2021
Quelle Sarah Mielke
Der historische Hintergrund von Eckhard Wallis
Klassische Kommunikationsnetze +
Quantentechnologie 26
Christian Deppe und Janis Nötzel Quantencomputer – wie weit ist die Entwicklung wirklich?
4 Technik in Bayern 05/2021
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
AKTUELLES Prozess- und Fabrikautomation
VDI BV Bayern Nordost: JMV 2021
VDI fib München: Umgang mit Geld
31
32
Messtechnik
VDE Bayern: Zukunftsforum 2021 33 Steuerungstechnik
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
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
RUBRIKEN Fachvorträgen ist für die Besucher kostenlos.
Veranstaltungskalender39 Wirtschaftsregion Südost
Buchbesprechungen48
Landshut
Ausstellungstipp49
Impressum49
Cartoon50
Vorschau50
27.10.2021
Titelbild: So sieht der "Kühlschrank" des Quantencomputers aus
Foto: Google 8.00 bis 16.00 Uhr
Sparkassen-Arena
Beilagenhinweis – MEORGA Niedermayerstr. 100
Wir bitten um freundliche Beachtung.
84036 Landshut
VDI Landesverband Bayern
VDI Bezirksverein München, Ober- und Niederbayern e.V. Zur erforderlichen Besucher-Registrierung:
Westendstr. 199, D-80686 München
Tel.: (0 89) 57 91 22 00, Fax: (0 89) 57 91 21 61 www.meorga.de oder
www.vdi-sued.de, E-Mail: bv-muenchen@vdi.de
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VDI Bezirksverein Bayern Nordost e.V. Messebesuch nur nach
3G-Regelung
c/o Ohm-Hochschule, Keßlerplatz 12, D-90489 Nürnberg
Tel.: (09 11) 55 40 30, Fax: (09 11) 5 19 39 86
Technik in Bayern 05/2021_25/08/2021_HTML5_01/09/2021
E-Mail: vdi@th-nuernberg.de
mit Nachweis
VDE Bayern, Bezirksverein Südbayern e.V. GEIMPFT . GENESEN . GETESTET
Heimeranstraße 37, D-80399 München
Tel.: (0 89) 91 07 21 10, Fax: (0 89) 91 07 23 09
www.vde-suedbayern.de, E-Mail: info@vde-suedbayern.de MEORGA GmbH - Sportplatzstr. 27 - 66809 Nalbach
Telefon 06838 8960035 - info@meorga.de
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-
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
innovativer Technologien wie dem Tran- wahre Quelle für Zufälligkeit in der Na- zerstören würden. Die Entwicklung eines
sistor (der Basis heutiger Mikroprozesso- tur ist, stellt sie auch eine ideale Lösung echten Quantenrepeaters würde eines
ren), dem Laser, der Festkörperbeleuch- für die Erzeugung von wirklich zufälligen der Haupthindernisse auf dem Weg zur
tung (LED, Light Emitting Diode) und da- Bitströmen dar (im Gegensatz zu der Realisierung eines Quanteninternets be-
mit zu Systemen für die Kommunikation, klassisch verwendeten Pseudo-Zufalls- seitigen.
die Navigation und zur Leistungsregelung generierung). Der archetypische QRNG ist
bis zum Energietransport mit Hochspan- ein extrem einfaches Gerät, bei dem ein Quantencomputing
nungs-Gleichstrom-Übertragung, um nur Photon auf einen Strahlteiler auftrifft und Die Realisierung von Quantencomputern
einige zu nennen. Seit Anfang der 2000er anschließend von einem von zwei nach- ist die mühsamste, aber auch faszinie-
Jahre findet jedoch eine "zweite Quanten- geschalteten Detektoren absorbiert und rendste Herausforderung. Diese Maschi-
revolution" statt, bei der die eigenartig mit den Bitwerten 0 und 1 assoziiert wird. nen versprechen eine unvorstellbare Re-
sten Aspekte der inzwischen etablierten Die Grundidee der QKD ist wiederum ganz chenleistung für die Lösung einiger wich-
Quantentheorie, nämlich die Superposi- einfach: Nach der Quantenphysik stört die tiger Problemtypen, die derzeit selbst für
tion (dank derer ein Quantenobjekt gleich- bloße Tatsache der Beobachtung eines die leistungsstärksten Supercomputer
zeitig in verschiedenen Zuständen sein Quantenobjekts dieses irreparabel; wenn unlösbar sind. Quantencomputer basie-
kann) und die Verschränkung (dank derer Sie also den Wert eines Bits auf einem ren auf Qubits, die im Gegensatz zu klas-
zwei Quantenobjekte perfekt korreliert einzelnen Quantenobjekt (Qubit) kodie- sischen Bits gleichzeitig die Werte 0 und
sind und wir bei Kenntnis des Zustands ren, führt sein Auslesen zwangsläufig zu 1 annehmen können. Mit Hilfe von Logik-
des einen mit Sicherheit den Zustand des einer Störung. Diese Störung verursacht gattern, die die Verschränkung zwischen
anderen kennen, unabhängig von der Ent- Fehler in der Folge der zwischen Sender verschiedenen Qubits nutzen, verhält sich
fernung, die sie trennt), als Ressourcen und Empfänger ausgetauschten (Qu)Bits: ein Quantencomputer wie ein massiv
für die Entwicklung von Technologien Durch die Überprüfung auf solche Fehler paralleles Gerät, das in der Lage ist, eine
verwendet werden, die in der klassischen können die beiden Parteien verifizieren, exponentiell große Anzahl von gleichzei-
Welt keine Entsprechung haben. Das ent- ob ein Lauscher Informationen über den tigen Operationen durchzuführen. 1994
zieht sich deminanschaulichen
Technik Verständ- übertragenen Schlüssel erhalten konnte.
Bayern 05/2021_25/08/2021_HTML5_01/09/2021 entwickelte der amerikanische Informati-
nis – nicht aber der Nutzung, derzeit in Es sei darauf hingewiesen, dass QKD die ker Peter Shor einen Quantenalgorithmus,
den vier Hauptbereichen Quantenkom- einzige bekannte kryptografische Tech- der die Primfaktoren von beliebig großen
munikation, Quantencomputing, Quanten- nik ist, die heute die Vertraulichkeit von Zahlen viel schneller bestimmen kann als
simulation und Quantensensorik. Nachrichten gegen einen Angriff durch bekannte klassische Algorithmen. Damit
6 Technik in Bayern 05/2021
Foto: Andreas Heddergott / TUM
TUM Forschung zur quantencomputerresistenten Kryptografie: Sonden mit Spulen von ca. 150µm Durchmesser messen die elektromagnetische
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-
genmaßnahmen verhindert werden. Die eingeblendete Formel ist ein vom TUM Lehrstuhl für Sicherheit in der Informationstechnik, Prof. Dr.-Ing. Georg
Sigl, erstellter Fotolayer und beschreibt die Quanten-Fouriertransformation, die Grundlage für den Shor-Algorithmus ist, der für das Entziffern oder
"Knacken" klassischer Kryptographie genutzt werden kann und der die Motivation für die Entwicklung der Post Quanten Kryptographie ist
ist es möglich, die gängigen unsymmetri- tencomputer und der entsprechenden wechselwirkungen erfordert. Darüber
schen Schlüssel, die wir z. B. zum Schutz (und ebenso wichtigen) Software-Infra- hinaus muss die Quantenüberlegenheit
unserer E-Mails oder wirtschaftlicher struktur investieren. IBM hat am 15. Juni in einem Algorithmus mit Fehlerkorrek-
Transaktionen im Netz verwenden, zu 2021 mit hoher politischer Teilnahme tur bewiesen werden – eine Methode zur
brechen. Diese Schlüssel basieren auf der und großem Medienecho in Inningen Korrektur von dekohärenzbedingten Feh-
Tatsache, dass es zwar einfach ist, zwei Europas leis tungsstärksten kommerzi- lern, die durch den Abbau der Verschrän-
große Zahlen zu multiplizieren, die um- ellen Quantencomputer vorgestellt. Er kung sowohl die Länge des zuverlässig
gekehrte Operation, d. h. die Zerlegung arbeitet mit 27 Qubits und ist über eine ausführbaren Codes als auch die maxi-
in Primfaktoren, jedoch sehr schwierig ist Cloud ansprechbar. Damit soll die indus- male Anzahl von Qubits, die miteinander
und auch mit heutigen Supercomputern trielle Nutzung in Deutschland und Europa verknüpft werden können, begrenzt. Auf
sehr lange dauern würde. angestoßen werden. theoretischer Ebene werden nämlich je
nach Hardware-Fehlerrate und Länge des
Doch es gibt weitere wichtige Anwen- Doch es sind noch viele Herausforderun- Algorithmus Millionen oder Milliarden
dungsfelder. Die Liste reicht von der Su- gen zu bewältigen, bevor solche Geräte physikalischer Qubits benötigt, um ein
che nach Daten in unstrukturierten Daten- den Prototypenstatus verlassen können. paar Tausend fehlerfreie logische Qubits
banken über die Optimierung komplexer Zum einen konnte noch nicht demon- zu erzeugen. Wenn man schließlich be-
Systeme mit vielen Freiheitsgraden (z. B. striert werden, dass ein existierender denkt, dass es mehrere physikalische
in der Logistik oder der Verkehrsfluss- Quantencomputer in der Lage ist, ein Systeme gibt, die für Quantencomputer
analyse) bis hin zu Anwendungen im ma- Problem von besonderem praktischen in Frage kommen, jedes mit spezifischen
schinellen
Technik Lernen und der05/2021_25/08/2021_HTML5_01/09/2021
in Bayern künstlichen Interesse zu lösen, das auf keine ande- Vor- und Nachteilen (z. B. ultrakalte Ato-
Intelligenz. Kein Wunder also, dass die re Weise angegangen werden kann, wie me und Ionen, supraleitende Schaltkreise,
großen globalen IT-Unternehmen (bisher z. B. die Berechnung der elektronischen künstliche Atome in halbleitenden Schalt-
Google, IBM, Intel, Microsoft und Alibaba) Struktur eines Moleküls – ein Problem, kreisen und andere), wird klar, dass der
massiv in die Entwicklung eigener Quan- das die Modellierung mehrerer Quanten- Bau von Quantencomputern eine riesige
Technik in Bayern 05/2021 7
SCHWERPUNKT
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-
latoren interessant: Geräte, die eine ähn- ausbreiten. lisiert werden, um dann in fünf bis zehn
liche physikalische Struktur wie Quan- Jahren einen Quantenvorteil für praxis
tencomputer haben, von denen sie sich Quantensensoren relevante Anwendungen zu demonstrie-
dadurch unterscheiden, dass sie speziell Quantenzustände, insbesondere die Ei- ren und nach zehn Jahren mit souveräner
der Simulation der Dynamik bestimmter genschaften der Verschränkung und der Technologie mit an der Spitze des inter-
komplexer Systeme und/oder der Unter- Superposition, sind sehr empfindlich ge- nationalen Wettbewerbs zu stehen. In
suchung synthetischer Materialien gewid- genüber der Umgebung. Während diese in- zehn bis fünfzehn Jahren soll schließlich
met sind. Der Hauptvorteil von Simulato- härente Fragilität im Fall von Quantenkom- ein fehlerkorrigiertes System zur Lösung
ren liegt in ihrer höheren Fehlertoleranz. munikation, -computern und -simulatoren einer universellen Klasse an Problemen
Die Idee geht auf den amerikanischen problematisch ist, wird sie für Quanten- zur Verfügung gestellt werden, um einen
Physiker Richard Feynman zurück (1982). sensoren zu einem Vorteil. Man erreicht breiten Nutzen für Wirtschaft und Gesell-
Es gibt bereits interessante Anwendun- damit deutlich höhere Genauigkeiten und schaft zu erzielen.
gen für die Grundlagenforschung, aber Detektionsempfindlichkeiten als es mit
auch für die Industrie, wo sie der Schlüs- aktuellen klassischen Techniken möglich Prof. Dr. Tommaso Calarco
sel zum Design neuer Chemikalien, von ist. Der Anwendungsbereich ist riesig: Forschungszentrum Jülich
Medikamenten bis zu Düngemitteln für Positionierungssysteme; Atomuhren; Gra- Daniele Binosi
die Medizin und Landwirtschaft der Zu- vitations-, elektrische und magnetische European Centre for theoretical studies in
kunft, und neuer Materialien, wie Hoch- Felddetektoren; Kraft-, Druck- und Tem- Nuklear Physics and related Areas
temperatur-Supraleiter sein könnten. peratursensoren; Messstandards; Kern- ECT*, Trient
Mit Hilfe einfacher Modelle von Quanten- spinresonanz; Spektroskopie, Mikroskopie
systemen helfen Quantensimulatoren, und ultrahochauflösende Bildgebung.
Quellen
das Verhalten größerer Systeme zu ver-
stehen, die sonst viel schwieriger, wenn Ausblick [1] h ttps://www.quantentechnologien.de/file-
nicht gar unmöglich zu beschreiben wä- Ein Jahrhundert nach der Geburt der admin/public/Redaktion/Dokumente/PDF/
Publikationen/Roadmap-Quantencomputing-
ren. Jüngste Fortschritte in der Kontrolle Quantenmechanik können wir jetzt ihre bf-C1.pdf
und Manipulation von Quantensystemen Grenzen bis zur Kontrolle einzelner
Deutsches Museum München
Technologie-Revolution
auf fünf Quadratzentimetern
Das kleine Ding – 2 mal 2,5 Zentimeter groß – verkörpert eine technologische
Foto: Deutsches Museum/Hubert Czech
Revolution: Im Oktober 2019 geschah in den US-Laboren von Google etwas, wovon
Computerspezialisten lange geträumt hatten: Die erste Rechenoperation mit einem
Quantencomputer, mit der seine Überlegenheit gegenüber normalen Computern ex-
perimentell
Technik nachgewiesen
in Bayernwurde. 200 Sekunden habe der Computer für eine Ope-
05/2021_25/08/2021_HTML5_01/09/2021
ration gebraucht, für die ein herkömmlicher Superrechner 10.000 Jahre gebraucht
hätte. Das Herz dieses Computers: ein Quantenprozessor namens Sycamore. Ein
solcher Prozessor wurde jetzt an das Deutsche Museum übergeben.
Quelle: Deutsches Museum Der Sycamore-Quantenprozessor von Google
8 Technik in Bayern 05/2021
SCHWERPUNKT
Wir machen das Quanten-Bios
Gewaltige Fortschritte in der kann man die Eigenschaften von Materi- TiB: Wie schätzen Sie die Wünsche der
Experimentalphysik ermög- alien aus den Gesetzen der Quantenme- Chemiker ein, Substanzen auf dem Rech-
chanik ableiten, aber geschlossen geht ner synthetisieren zu können?
lichen die Beobachtung und das nur für sehr einfache Fälle und selbst Aidelsburger: Das ist ein ganz wichtiger
Manipulation einzelner Quan- dann stoßen heutige Supercomputer Punkt für die Anwendungsseite. Viele von
tenobjekte, wie Atome oder sehr schnell an Grenzen. Die Hoffnung ist diesen Fragestellungen, gerade aus der
mithilfe der überlegenen Rechenleistung Chemie, aber auch andere Optimierungs-
Photonen. Über heutige Anwen
von Quantencomputern diese Modelle lö- probleme, wie das berühmte Traveling
dungen und Zukunftsperspek sen zu können. Bis zu einem universellen Salesman Problem, sind Kandidaten für
tiven dieser Technologie Quantencomputer ist allerdings noch ein den Quantencomputer. Dabei muss man
sprachen wir mit Frau Prof. Dr. weiter Weg, daher setzen wir im Moment aber sehen, welche Struktur oder Platt-
auf sogenannte Quantensimulationen. form eines Quantencomputers sich am
Monika Aidelsburger, Fakultät
Quantensimulatoren sind speziell auf ein besten zur Lösung des jeweiligen Pro-
für Physik der LMU München. Problem, wie z.B. vereinfachten Modellen blems eignet. Die bekannteste Plattform
zur Erklärung von Hochtemperatur Supra- ist der gatterbasierte Computer. Dabei
leitung, zugeschnitten. Ein Problem, das werden beispielsweise mit einem kontrol-
oft genannt wird, ist die Hochtemperatur lierten NOT-Gatter, dem CNOT-Gatter, be-
Supraleitung oder komplexer Magnetis- nachbarte Qubits miteinander verschränkt
mus. Um komplexe Probleme in der Fest- und Algorithmen implementiert, an deren
körperphysik zu lösen, formuliert man Ende dann die Lösung des Problems steht.
zuerst einfache Modelle. Das berühmte- Eine zentrale Frage ist dabei die sog. Kon-
ste ist das sog. Hubbard Modell, welches nektivität der Plattform, d.h. ob es möglich
die Bewegung und Wechselwirkung von ist Verschränkung auch zwischen weit
Elektronen in einem Kristall beschreibt. entfernten Qubits herzustellen. Aber auch
Aber selbst für dieses sehr einfache Mo- dazu verfolgen wir eine erfolgversprechen-
dell kommt man mit unseren klassischen de Methode, die auf optischen Pinzetten
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-
ist, dass es sich um quantenmechanische Qubit Gatter ausführt und das Atom wieder
Prozesse handelt und deswegen die Kom- zurücktransportiert. Mit dieser Methode
plexität von Berechnungen mit der Anzahl kann man alle Atome miteinander „spre-
Prof. Dr. Monika Aidelsburger der Teilchen exponentiell ansteigt. Und chen“ lassen. Diesen Ansatz verfolgen wir
jetzt ist die Idee von einem Quantensimula- mit neutralen Atomen in optischen Gittern.
tor, dieses Modell mit gut kontrollierbaren Eine erfolgreiche Umsetzung würde die
TiB: Eines Ihrer Forschungsgebiete ist die quantenmechanischen Teilchen direkt Realisierung eines Quantencomputers mit
Quantensimulation. Was versteht man nachzubauen, um dann die Eigenschaften voller Konnektivität bedeuten.
darunter und welche Probleme sollen da- der vielen miteinander wechselwirkenden Eine andere Plattform beruht auf adia-
mit gelöst werden? quantenmechanischen Teilchen direkt im batischen Algorithmen mit denen man
Monika Aidelsburger: Im Moment sind Labor zu untersuchen. Man muss also die versucht, den Grundzustand von quanten-
Quantensimulationen
Technik in Bayern hauptsächlich für Struktur dieses sehr speziellen Quanten-
05/2021_25/08/2021_HTML5_01/09/2021 mechanischen Systemen zu präparieren
Probleme in der Materialforschung be- computers an die Struktur des Problems und dann durch langsames Verändern der
kannt. Wir gehen aber davon aus, dass anpassen. Tatsächlich können wir aktuell Kopplungsparameter den Grundzustand
die Anwendungsgebiete in der Zukunft einige Modelle bereits mit mehreren tau- von einem neuen Vielteilchensystem zu
stark ausgeweitet werden. Prinzipiell send Teilchen simulieren. finden. Der Grundzustand von diesem
Technik in Bayern 05/2021 9
SCHWERPUNKT
neuen System ist dann die Lösung des TiB: Gibt es einen Zeitplan, bis wann jetzt mit kleinen Programmen über die cloud
Optimierungsproblems oder der Grundzu- Entscheidungen fallen sollen? einloggen und sehen kann, wie das alles
stand für das simulierte Molekül. Aidelsburger: Nicht direkt. Ein Projekt funktioniert.
zum Quantencomputer auf der Basis un-
TiB: Wo kommen wir an die Grenzen der serer Gitterplattform, das wir beim BMBF TiB: Wie ist die Situation bei der Ausbil-
Simulation, was können wir dabei nicht so eingereicht haben, sollte in diesem Som- dung?
gut lösen? mer loslaufen. Das ist natürlich auch su- Aidelsburger: Es gibt seit dem letzten Win-
Aidelsburger: Ich denke die Grenzen der per, dass da jetzt nicht noch irgendwie tersemester einen zusätzlichen Quanten-
Simulationen sind immer modellbasiert. ein Jahr dazwischen ist, sondern dass wir technologie Master-Studiengang, den wir
Da ist einfach die große Frage, welche Mo- den Schwung mitnehmen und anfangen, an der LMU und TU entwickelt haben, und
delle kann man gut implementieren und also ich hoffe dass es auch klappt. der vereint jetzt alles was mit Quantentech-
welche davon sind dann auch interessant nologien zu tun hat. Dabei ist es sehr wich-
für Anwendungen, die nicht rein auf Grund- tig zu definieren, was jemand, der später in
lagenforschung beschränkt bleiben. diesem Bereich arbeiten soll, denn eigent-
lich können muss.
TiB: Das „Munich Quantum Valley“ soll
Bayerns Beitrag zur nationalen und euro- TiB: IBM und Google sagen ja, dass sie
päischen Quantenstrategie werden. Sind schon einen Quantencomputer haben.
durch die jüngste EU-Ausschreibung noch Was halten Sie von diesen Aussagen und
wesentliche Aspekte hinzugekommen, warum machen wir dann überhaupt eine
und wie ist der derzeitige Projektstand? eigene Entwicklung?
Aidelsburger: Die EU Ausschreibung ist Aidelsburger: Das ist ein Missverständnis,
ohne Frage von großer Bedeutung für das an der Definition des Wortes „Quan-
die europäische Zusammenarbeit im Be- tencomputer“ liegt. Die letzte veröffent-
reich der Quantentechnologien. Für mich lichte Zahl ist 53 Qubits, mit denen sie
persönlich war allerdings im Moment die Berechnungen durchgeführt haben. Das
bayerische Förderung und die vom Bund entspricht aber nicht der Definition eines
und dem BMBF besonders relevant. Der Quantencomputers, weil die Gatteropera-
wirklich große neue Schwung kam dann tionen natürlich fehlerbehaftet sind. Um Al-
vor kurzem mit Munich Quantum Valley, gorithmen laufen zu lassen, die dann auch
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-
unterschätzen. Wir haben viele europä- den, oder man muss fehlerkorrigierte
ische Partner mit denen wir sehr gut an Qubits realisieren können. Die robustere
wichtigen Förderlinien zusammenarbei- Implementierung ist, viele physikalische
ten. Durch das Munich Quantum Valley TiB: Nach der Grundlagenforschung Qubits zu einem logischen Qubit zusam-
haben sich die verschiedenen Forschungs- kommt die Verbindung zu sinnvollen An- menzufassen. Das generiert einen relativ
gruppen lokal sehr stark vernetzt, auch mit wendungen und zum industriellen Einsatz. großen Overhead, man ist schnell beim
den lokalen Firmen, das ist doch noch mal Wie gut funktioniert die Achse Wissen- Faktor 1000 bis 10.000. Mit 50 physikali-
was ganz anderes. Was da in die Wege schaft und Industrie bereits jetzt? schen Qubits hätte man dann also nicht
geleitet wurde und wie viel Motivation jetzt Aidelsburger: Ja, das war bisher im- einmal ein einziges logisches Qubit. Die
auch dahintersteckt, ist schon eine ganz mer unser schwächster Punkt. Es gibt in Alternative wäre, dass die Gatteroperatio-
andere Dimension. Deutschland relativ wenige Startups. nen selber um so viel besser werden. Aber
das scheint eher unrealistisch zu sein. Es
TiB: Man versucht Bayern voranzubringen, Aber die Lage verbessert sich jetzt lang- gibt einfach noch keinen etablierten Weg.
und Bayern hat nochmal kräftig drauf- sam, denn durch die bayerischen und Wir befinden uns noch in der Grundlagen-
gesattelt mit den Fördergeldern. BMBF Förderlinien ist doch sehr viel los- forschung und die ist äußerst wichtig und
Aidelsburger: Das merkt man natürlich getreten worden. Auch die Achse mit der darf nicht übersprungen werden.
schon. Aber es ist auch extrem teuer Industrie ist jetzt im Aufbau, aber da müs-
undTechnik
aufwändigindiese
BayernSachen zu entwi- sen wir von der Grundlagenforschung aus
05/2021_25/08/2021_HTML5_01/09/2021 TiB: Wo stehen wir bei den fehlerkorrigie-
ckeln, selbst 2 Milliarden, auch wenn sich natürlich auch erstmal liefern. Wir müssen renden Verfahren?
das nach viel anhört, sind in dem großen erstmal etwas haben, womit man erste Be- Aidelsburger: Meines Wissens wurde
Bereich Quantencomputer-Entwicklung rechnungen, auch wenn es nur kleine sind, eine wirkliche Implementierung noch nicht
schnell aufgebraucht. laufen lassen kann und wo man sich dann gezeigt, das ist noch Gegenstand der For-
10 Technik in Bayern 05/2021SCHWERPUNKT
schung. Es gibt einige Ansätze, aber bis Aidelsburger: Bei der Grundlagenfor- In dem Moment dachte ich mir, jetzt erst
jetzt keinen etablierten Weg. schung brauchen wir uns nicht verstecken, recht. Das Abi lief dann sehr gut und beim
Was aber jetzt von theoretischer Seite ent- aber man muss natürlich schon auch se- Studium war es ähnlich. Ehemalige Kommi-
wickelt wird ist der Ansatz, dass man nicht hen, dass diese ganzen öffentlichen Auf- litonen hatten mir erzählt wie schwer das
nur mit verschränkten Paaren von Qubits tritte in den USA, die von IBM oder Google Physikstudium ist und da dachte ich mir,
arbeitet, sondern einige wenige Qubits getrieben sind, sehr massiv sind. Bei der das probiere ich. Ich denke, anfangs habe
nimmt. Die sind stabiler und weniger fehler- Verwertung der Forschungsergebnisse ich vor allem die Herausforderung gesucht.
anfällig. Da kann man sich auch vorstellen, sind wir nicht so gut. Wenn man auf diesem Immer wenn ich das Gefühl hatte, dass mir
dass auch noch deutlich effizientere Algo- Niveau mithalten möchte, dann brauchen das Andere nicht so richtig zutrauen, habe
rithmen kommen werden. Es lässt sich im- wir Firmen und Startups die das machen, ich mir gedacht, jetzt erst recht.
mer schwer vorhersagen, was in den näch- da braucht es einfach mehr. Uns fehlen in Während dem Studium hat mich dann aber
sten paar Jahren passiert. Man muss bei der EU, in Deutschland und in Bayern die doch sehr schnell die Faszination für die
aller Euphorie immer auch vorsichtig sein Startups. Aber ich glaube, dass die Rich- Quantenphysik gepackt. Im Nachhinein
und sich bewusst machen, dass man hier tung durch die neuen Vernetzungen jetzt kann ich mich daran erinnern, dass ich das
Grundlagenforschung betreibt und keinen stimmt, aber das muss dann natürlich auch Thema auch schon während der Schulzeit
exakten Projektplan formulieren kann. gefördert werden. In München läuft schon spannend fand, aber den Ausschlag ha-
einiges mit Industriepartnern. Interessant ben erste Experimente im Labor gegeben.
TiB: Wie programmiert man einen Q-Com- ist für uns, dass die Firma Bosch sich stark Für viele sind die Konzepte der Quanten-
puter auf den verschiedenen Ebenen und engagiert, die ist jetzt auch Partner in einem mechanik sehr abstrakt, da sie nicht unsere
was tut sich bei der Entwicklung von höhe- unserer Projekte. Da geht es um Sensoren Erfahrungen im Alltag widerspiegeln. Nun
ren Programmiersprachen? und um Materialforschung. stellen Sie sich vor Sie könnten Quanten-
Aidelsburger: Die Programmierung der physik direkt erleben – genau das machen
Qubits auf der physikalischen Ebene erfolgt TiB: VDI und VDE möchten an den Schulen wir tagtäglich in unseren Laboren! Einzelne
je nach Qubit-Erzeugung über Mikrowellen, die MINT Fächer, gerade auch für Mäd- quantenmechanische Teilchen kontrollie-
Laserstrahlen, oder über elektrische und chen, stärker fördern. Wie sind Sie zur ren und manipulieren zu können ist einfach
elektromagnetische Felder. Physik gekommen? unbeschreiblich.
Die Entwicklung höherer Programmierung Aidelsburger: Ich war auf dem sprachli-
geht im Moment eher in Richtung Python- chen Zweig am Gymnasium, wie man das Das Interview führten
Software, da gibt es schon einiges online, wahrscheinlich als Mädchen auch eher Fritz Münzel, Walter Tengler und
z. B. von IBM, wo man sich einloggen und klassisch macht. Es hat mir auch wirklich Silvia Stettmayer
"Einzelne quantenmechanische Teilchen kontrollieren und manipulieren zu
können ist einfach unbeschreiblich"
erste Algorithmen programmieren kann. Spaß gemacht. Für die Leistungskurse
Die Sprache ist sehr beliebt, die StudentenK12/K13 hatte ich meine Lehrer gefragt, ob Zur Person
kennen sie alle. Der nächste Schritt wäre ich auch Mathe und Physik als Leistungs-
Prof. Dr. Monika Aidelsburger studierte Physik
jetzt zu schauen, ob es Sinn macht, noch kurse wählen könnte, da mir das besonders
und wurde 2015 mit „summa cum laude“ an der
einen weiteren Layer darüber zu legen, evtl.
gut liegt. Mir hat dabei immer besonders Ludwig-Maximilians-Universität München pro-
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
klar definierten logischen Regeln folgen. bereits mit hochrangigen Förderungen und Aus-
TiB: Wird es in Zukunft eine Norm oder ei- Es gibt eine klare Lösung, d.h. das Ergeb- zeichnungen gewürdigt worden.
nen Standard geben? nis ist entweder richtig oder falsch. Auch
In diesem Jahr wird Monika Aidelsburger Träge-
Aidelsburger: Das ist zu hoffen, aber ich Sprachen haben mir immer sehr viel Spaß rin des Alfried Krupp-Förderpreises 2021 – eine
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. €
Innerhalb Europas wird es wohl einen ge- einen Aufsatz zu schreiben, oder im Gegen- dotiert. Bei der Ausgabe dieser Mittel für ihre For-
meinsamen Standard geben, global muss satz dazu ein mathematisches Problem zu schung in den kommenden fünf Jahren genießt
man dann erstmal sehen, wie sich die ver- lösen. Da gibt es nicht einfach richtig und die Preisträgerin größtmögliche Freiheit.
schiedenen
Technik Ansätze weiterentwickeln.
in Bayern falsch. Meine Lehrer waren anfangs eher
05/2021_25/08/2021_HTML5_01/09/2021 Wir gratulieren sehr herzlich zu dieser Auszeich-
zurückhaltend und haben mit erklärt, dass nung!
TiB: Wo stehen wir denn generell in der es schwierig sein könnte, Mathe und Physik
Quelle: Pressemitteilung der Alfred Krupp von Bohlen und
Quantenforschung, verglichen mit Europa als Leistungskurse zu wählen, da ich mich Halbach Stiftung v. 22.06.2021, gekürzt
und mit der Welt? davor auf Sprachen konzentriert habe.
Technik in Bayern 05/2021 11SCHWERPUNKT
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,
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
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-
Entwicklung mit dem Potenzial, bisher gestellt wurden. nenröhren waren teuer und unzuverläs-
unlösbar erscheinende mathematische Einer der Gründe für diese enorme Leis- sig, und auf den ersten Systemen liefen
Probleme zu bewältigen. So sind bei- tungsfähigkeit ist der hohe Informations- nur wenige Applikationen. Erst mit der
spielsweise der Simulation von chemi- gehalt der grundlegenden Bausteine von Erfindung des Halbleiter-Transistors war
schen Reaktionen selbst durch die leis- Quantencomputern, den Quantenbits das ideale Bauelement gefunden, mit
tungsfähigsten klassischen Computer oder Qubits. Im Gegensatz zum klassi- dem das Computerzeitalter Fahrt auf-
enge Grenzen gesetzt, die ein Quanten- schen Bit kann ein Qubit gleichzeitig un- nahm. Bei den Qubits existiert allerdings
computer überwinden kann. terschiedliche Zustände annehmen. Prin- bisher noch keine vergleichbare etablierte
Aktuelle Systeme, sogenannte NISQ zipiell lässt sich in einem Quantencompu- Technologie.
(Noisy Intermediate-Scale) Quantum ter mit all diesen Zuständen gleichzeitig
Computer, haben allerdings noch hohe rechnen, was eine unglaubliche Paralleli- Qubits und Technologieansätze
Fehlerraten und eine sehr beschränkte sierung ermöglicht. Für die Realisierung von Qubits sind viele
Leistung. Trotzdem kann schon mit die- physikalische Systeme geeignet, sofern
sen Systemen für sehr spezielle, rein aka- Die tatsächliche Umsetzung solch eines sie bestimmte Eigenschaften erfüllen.
demische Fragestellungen im Experiment Rechners unterlag jedoch lange Zeit ei- Darunter fällt beispielsweise die Notwen-
gezeigt werden, dass Quantencomputer ner gewissen Skepsis. Quantenzustän- digkeit, sie in einen vorgegebenen Aus-
einen klassischen Computer übertreffen de sind extrem fragil und lassen sich gangszustand zu bringen, oder die An-
können. weder zwischendurch überprüfen noch forderung, dass sie einen Zustand lange
genug für viele Rechenoperationen halten
können [2]. Allen Technologieplattformen
ist jedoch gemein, dass noch viele Her-
ausforderungen auf dem Weg zu einem
leistungsfähigen, universellen Quanten-
computer gelöst werden müssen.
Infineon verfolgt hierbei mehrere tech-
nologische Ansätze. Am Standort Vil-
lach wird an Bauteilen für Ionen basierte
Quantencomputer geforscht, mit Fokus
auf skalierbaren Architekturen zur Reali-
sierung von Quantenprozessoren.
Insbesondere an den Standorten Mün-
Technik in Bayern 05/2021_25/08/2021_HTML5_01/09/2021 chen und Regensburg arbeitet Infineon
unter anderem mit dem Walther-Meißner-
Institut (WMI) der Bayerischen Akademie
Abb. 1: Spin-Qubit in Si/SiGe Strukturen. Ein einzelnes Elektron ist im Potentialtopf eines Quanten- der Wissenschaften und dem finnischen
punktes gefangen. Die Spin-Orientierung repräsentiert die Quanteninformation Startup IQM zusammen, um supraleiten-
12 Technik in Bayern 05/2021Alle Abb.: Infineon Technologies Dresden
Abb. 2: Quantenbus. Die Quanteninformation wird in einem beweglichen
Quantenpunkt zur Wechselwirkung mit benachbarten Qubits transportiert
de Schaltungen für das Quantencompu- Qubus viele weitere Parameter über die wirkliche
ting zu nutzen. Dabei wird auch auf spe- Für einen funktionsfähigen Quantenpro- Leistungsfähigkeit eines Quantencompu-
zielles Fertigungsknowhow zur kontrol- zessor ist zusätzlich eine Kopplung zwi- ters entscheiden. Zusätzlich wird im vier
lierten Herstellung von Tunnelbarrieren schen den Qubits erforderlich. Bei Spin- Jahre laufenden QLSI-Projekt der europä-
innerhalb der Metallisierung zurückge- Qubits können dazu beispielsweise die ischen Quantum Flagship Initiative ein 16
griffen, das bereits für Magnetsensoren jeweiligen Elektronen so nah aneinander Qubit Demonstrator und der Cloud-Zugriff
höchst erfolgreich eingesetzt wird. gebracht werden, dass sie gegenseitig für Anwender entsprechender Systeme
Darüber hinaus wird bei Infineon in Dres- wechselwirken. Da bei begrenzter Fläche erarbeitet.
den an Qubits basierend auf SiGe-Hetero- hierbei sehr schnell massive Verdrah- Neben dem eigentlichen Quantenchip be-
strukturen in Silizium gearbeitet. Diese tungsprobleme entstehen, benötigt man nötigt ein vollwertiger Computer geeigne-
zeichnen sich nicht nur durch eine hohe auch Qubit-Kopplungen über größere te Software und eine große Anzahl weite-
Robustheit und Schnelligkeit aus. Durch Entfernungen. Mit einem solchen Quan- rer Hardware-Komponenten, idealerweise
Ihre Kompatibilität mit den Herstellungs- tenbus wäre ein skalierbares Konzept für auf einem gemeinsamen Chip. Die Vortei-
prozessen fortgeschrittener CMOS-Tech- nahezu beliebige Qubit-Konnektivität ge- le von siliziumbasierten Spin-Qubits für
nologien weisen sie außerdem ein hervor- währleistet. solch eine Integration liegen dabei auf
ragendes Skalierungspotenzial auf. In Zusammenarbeit vor allem mit der der Hand.
RWTH Aachen, dem IHP und Fraunhofer
Hauptbestandteil ist dabei ein sogenann- IPMS entwickelt Infineon hierfür im Rah- Dr. Wolfram Langheinrich
ter Quantenpunkt, bei dem ein zweidimen- men zweier Förderprojekte eine Quan- Principal Engineer Technology Develop-
sionaler Elektronensee mit Hilfe geeigne- tenbus-Architektur, mit der Qubit-Infor- ment, Infineon Technologies Dresden
ter Gatterelektroden derart eingeschnürt mationen mittels einer linearen Kette von Claus Dahl
wird, bis schließlich nur noch ein einziges Quantenpunkten über längere Distanzen Director Technology Development Auto-
Elektron übrigbleibt (Abb. 1). Der Eigen- übertragen werden können (s. Abb. 2). motive Sensors,
drehimpuls (Spin) dieses einzelnen Elek- Wie in einer Eimerketten-Schaltung wird Infineon Technologies Dresden
trons ist ein Quantensystem, das die In- das Elektron dabei von einem Punkt Dr. Sebastian Luber
formation eines Qubits trägt. Verglichen zum nächsten befördert, wobei eine Senior Director Technology and Innova-
mit anderen Ansätzen sind Spin-Qubits große Herausforderung darin besteht, tion, Infineon Technologies AG, Neubiberg
noch eine relativ junge Variante. Erst den Quantenzustand auf der gesamten
durch wichtige Fortschritte im Wachstum Strecke zu erhalten.
der Strukturen und durch die Verwendung Im seitens des BMBF geförderten Projekts Referenzen
von isotopisch reinem 28Si zur Unter QUASAR nehmen sich die Projektpartner
drückung unerwünschter Kopplungen mit dabei vor, alle wesentlichen Elemente [1]
Feynman, Richard. Simulating Physics with
Computers. International Journal of Theoreti-
Atomkernen
Technikkonnten die Eigenschaften
in Bayern solch einer skalierbaren Mikroarchitektur
05/2021_25/08/2021_HTML5_01/09/2021 cal Physics. 21 (6/7): 467–488 (1982)
der Qubits so weit verbessert werden, bis Anfang 2025 zu zeigen. Das ist der [2] Divincenzo D.P. Topics in Quantum Compu-
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
nen leistungsfähigen Quantencomputer entwicklung zu mehr als 1000 Qubits, wo- 345. (1997)
gelten. bei neben der reinen Qubit-Anzahl noch
Technik in Bayern 05/2021 13SCHWERPUNKT
Quantensensoren
Es muss nicht immer
Quantencomputing sein
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
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?
Die Quantentechnologie ist ein junges, Im Gegensatz dazu bietet der Bereich der Quantensysteme wie z. B. angeregte Ato-
prosperierendes Forschungsgebiet, das Quantensensorik ein hohes Potenzial für me (Rydbergatome) oder gewisse Defekte
grundlegende Konzepte der Quanten- erste industrierelevante Anwendungen in Festkörpern (z. B. Stickstofffehlstellen
physik mit praktischen Aspekten der Inge- innerhalb der nächsten fünf Jahre. Quan- in Diamant, sog. NV-Zentren) reagieren
nieurwissenschaften verbindet, um neu- tensensoren weisen eine herausragende sehr empfindlich mit einer Änderung ih-
artige Technologien zu entwickeln. Dabei Empfindlichkeit auf, d. h. sie ermöglichen rer inneren Quantenzustände auf äußere
werden Quanteneffekte wie die Ver- Detektionsschwellen am Rande des fun- Einflüsse wie z. B. magnetische und elek-
schränkung zwischen Photonen oder die damental Möglichen. Im Gegensatz zu trische Felder oder die Umgebungstem-
diskreten Energiezustände von Atomen Quantencomputern reicht bei Quanten- peratur. Diese winzigen Änderungen der
genutzt, um innovative Ansätze zur Kom- sensoren oftmals ein einzelnes Quanten- inneren Energiezustände können dann
munikation, Sensorik, Simulation oder bit (Qubit), um den Quantenvorteil gegen- äußerst präzise ausgelesen werden, da
zum Rechnen/Computing zu entwickeln, über klassischen Systemen zu erzielen. die Energieänderungen über die Planck-
die keine Entsprechungen im Gültigkeits- Zudem arbeiten die in Quantensensoren sche Beziehung E=h*f als eine Frequen-
bereich der klassischen Physik haben. zum Einsatz kommenden Qubits auch bei zänderung von Photonen messbar sind
Das immense Potenzial der Quantentech- Zimmertemperatur zuverlässig, so dass – also einer Größe, die mit höchster Ge-
nologien ist dabei unbestritten und die sie, im Gegensatz zum Quantencomputer, nauigkeit messbar ist (Abb. 1). Darüber
Quantentechnologien werden sowohl von ohne spezielle Kühlung auskommen. Da- hinaus ermöglichen die Quantensensoren
führenden Unternehmen als auch von po- mit sind Quantensensoren ideale Kandi- oftmals eine direkte Rückführbarkeit der
litischen Entscheidungsträgern als Tech- daten, um den stetig wachsenden Bedarf Messgröße auf physikalische Konstanten
nologien der Zukunft eingestuft [1]. Aller- an höchstpräziser Sensorik sowohl im wie das Plancksche Wirkungsquantum h
und ermöglichen so eine kalibrationsfreie
Rückführung auf die SI-Einheiten, wo-
durch zukünftig erhebliche Kosten einge-
spart werden können.
Was lässt sich mit Quantensensoren
messen?
Prinzipiell sind alle physikalischen Größen
Quelle: Jens Anders, Universität Stuttgart
der direkten Messung durch Quantensen-
soren zugänglich. So lässt sich allein das
oben erwähnte NV-Zentrum in Diamant
als hochpräziser Sensor für magnetische
Technik in Bayern 05/2021_25/08/2021_HTML5_01/09/2021 und elektrische Felder, Drücke und Tem-
peraturen nutzen (Abb. 2). Darüber hin-
aus lassen sich NV-Zentren z. B. auch ein-
Abb. 1: Illustration eines Qubit für die Quantensensorik. Die Messgröße ändert entweder den
Abstand der Energieniveaus und damit die Resonanzfrequenz f0 (links) oder der Emissionsrate setzen, um die Konzentration bestimmter
von Photonen Γ (rechts) Stoffe in Lösungen zu bestimmen oder
14 Technik in Bayern 05/2021SCHWERPUNKT
Quelle 2a: Jens Anders, Universität Stuttgart,
2b: Khubaib Khan, Universität Stuttgart
Abb. 2: (a) Konzeptionelle Darstellung eines chip-integrierten Sensors für NV-Zentren in Diamant. (b) Mikrograph des in (a) dargestellten CMOS-Chips
sogar direkt die Struktur unbekannter Mo- heutige MEMS-basierte Inertialsensoren können die verbesserten Quantensenso-
leküle zu ermitteln. Die oben erwähnten von der Langzeitstabilität zukünftiger ren nahtlos in bestehende Infrastrukturen
Rydbergatome können z. B. für die hoch- Quanteninertialsensoren profitieren und eingebettet werden. Ein Beispiel hierfür
selektive und zugleich ultra-empfindliche so wichtige Beiträge zum autonomen wäre der Einsatz von Verfahren des ma-
Messung von Gasen genutzt werden und Fahren leisten. schinellen Lernens im digitalen Backend.
ermöglichen zusätzlich die kalibrations- Die genannten Integrationsmaßnahmen
freie Messung von elektrischen Feldern. Quantensensoren auf dem Weg zur für Quantensensoren erfordern dabei
Im Prinzip gibt es keine Messgröße die Marktreife erhebliche Forschungs- und Entwick-
nicht mit Quantensensoren gemessen Trotz bedeutender Fortschritte in der lungsaufwände, welche derzeit u. a.
werden könnte. Grundlagenforschung steckt die Quan- durch dedizierte Ausschreibungen des
tensensorik technologisch gesehen Bundesministeriums für Bildung und
Zukünftige Anwendungen der Quanten- nach wie vor in den Kinderschuhen. Es Forschung (BMBF) mit beträchtlichen
sensorik gibt zwar bereits erste Quantensenso- Fördersummen unterstützt werden. Als
Obwohl sich die Quantenwissenschaften rik-Produkte von Start-up Unternehmen ein Beispiel sei hier der BMBF-geförderte
insgesamt in vielen Fällen noch im Sta- auf dem Markt [3], aber die meisten der Zukunftscluster „QSens – Quantensenso-
dium der Grundlagenforschung befinden, Kandidaten für zukünftige kommerzielle ren der Zukunft“ in der Region Stuttgart-
gibt es gerade im Bereich der Quanten- Quantensensoren befinden sich gerade Ulm genannt, welcher sich unter starker
sensorik bereits erste vielversprechen- erst auf dem Sprung heraus aus den Phy- Beteiligung der regionalen Industrie die
de Ansätze, die bei Messungen im For- siklaboren. Um das immense Potenzial Überführung der Quantensensorik in den
schungslabor ein immenses Potenzial für der Quantensensorik voll ausschöpfen Markt zum Ziel gesetzt hat.
zukünftige Anwendungen zeigen. Beispie- zu können, muss als nächster Schritt die
le hierfür sind revolutionäre Empfindlich- skalierbare und reproduzierbare Ferti- Prof. Dr. Jens Anders
keitssteigerungen in der medizinischen gung der eigentlichen Quantensensoren Universität Stuttgart
Diagnostik, ultrakompakte und präzise zu kompetitiven Kosten gewährleistet Direktor des Instituts für Intelligente Sen-
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
präzise Navigation (Quantenmetrologie). Integration der Kontroll- und Auslese- elektronik Stuttgart (IMS CHIPS)
So zeichnet sich bereits heute klar ab, peripherie der Quantensensoren voran-
dass neue Quantensensoren mittelfristig getrieben werden, da nur so die Möglich- Quellen
in der Lage sein werden, die Magnetfelder keit besteht, Quantensensoren soweit zu
[1] https://www.bosch.com/research/fields-of-
der neuronalen Ströme im menschlichen miniaturisieren, dass sie in alltäglichen
innovation/quantum-technologies/, https://
Gehirn zu vermessen, um so Krankhei- Anwendungen zum Einsatz kommen kön- www.airbus.com/innovation/future-technolo-
ten wie Alzheimer oder Parkinson besser nen. Zusätzlich stellen die mikroelektro- gy/quantum-technologies.html, https://www.
bmbf.de/upload_filestore/pub/Quantum_
zu Technik
verstehen. in
Ebenso
Bayernwerden Quanten- nische und photonische Integration eine
05/2021_25/08/2021_HTML5_01/09/2021 technologies.pdf
sensoren in hybriden Systemen heutige Schnittstelle bereit, die eine Einbettung [2] h ttps://www.spiegel.de/netzwelt/web/
MEM-Systeme (Mikro-Elektronisch-Me- der eigentlichen Quantensensoren in ein googles-quantenueberlegenheit-praktisch-
nutzlos-a-1292904.html
chanische-Systeme) komplementieren intelligentes Sensorkonzept im Sinne ei- [3] https://quspin.com/, https://qnami.ch/
oder ersetzen. Beispielsweise können nes „Smart Sensors“ ermöglicht. Nur so
Technik in Bayern 05/2021 15Sie können auch lesen
