Quantentechnologien in Nordrhein-Westfalen - News aus dem Cluster NMWP.NRW und dem Verein NMWP E.V.
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Heft 01.2020
Magazin für Nanotechnologie, Mikrosystemtechnik, Neue Werkstoffe und Photonik
Die zweite Quantenrevolution
Quantentechnologien
in Nordrhein-Westfalen.
News aus dem Cluster NMWP.NRW und dem Verein NMWP E.V.
Highlight-Thema: NMWP im Gespräch
Die zweite Quantenrevolution – mit Dr. Gustav Kalbe, DG CONNECT
Quantentechnologien in und Prof. Dr. Tommaso Calarco, Direktor
Nordrhein-Westfalen. Seite 6 des Instituts für Quantenkontrolle am
Forschungszentrum Jülich. Seite 14
Wir ermöglichen Innovation. Überall.
Technologien sind in einem hochindustrialisierten Land Unternehmen und Instituten, einen erfolgreichen
wie Deutschland nicht nur Grundlage für Wohlstand, Mix aus Mittelstand, Großunternehmen und Forschung
sie verändern die Gesellschaft. Sie bringen in wichtigen und – eine hohe Innovationsgeschwindigkeit, die durch
Bereichen unseres Lebens Innovationen hervor, aus eine gute Vernetzung begünstigt wird.
denen sich neue Lösungsansätze für die großen Heraus-
forderungen unserer Zeit, wie zum Beispiel den Klima-
schutz und die Energieversorgung, ergeben. Da alle fünf Schlüsseltechnologien auch Querschnitts-
technologien sind, unterstützt und vernetzt der Cluster
Der Landescluster NanoMikroWerkstoffePhotonik. NMWP.NRW Akteure entlang der kompletten Wert-
NRW (NMWP.NRW) steht für die Leitmarkt- und Cluster- schöpfungskette aus sämtlichen Leitmärkten. Die
strategie am Wirtschafts- und Innovationsstandort Vernetzung entsteht zum Beispiel über die gemeinsame
Nordrhein-Westfalen. Er ist ein anerkannter Partner der Teilnahme an Messen und die Durchführung verschie-
Wirtschaft, Wissenschaft und öffentlichen Hand für dener Veranstaltungen.
innovationsfördernde Dienstleistungen im Bereich der
Schlüsseltechnologien, primär Nanotechnologie, Ergänzt wird der Cluster in seiner Arbeit vom Verein
Neue Werkstoffe, Mikrosystemtechnik und Photonik. NanoMikroWerkstoffePhotonik (NMWP e.V.). Im April
Anfang 2019 ist mit den Quantentechnologien eine viel- 2012 gegründet, unterstützt er seitdem seine Mitglieder
versprechende und aufstrebende weitere Schlüssel- aktiv in der Entwicklung neuer Ideen, Projekte und Partner-
technologie hinzugekommen, eine ebenso wichtige wie schaften in den Bereichen Nanotechnologie, Mikro-
logische Ergänzung des bestehenden Technologieport- systemtechnik, Neue Werkstoffe und Materialien und
folios. NRWs exzellente wissenschaftliche Expertise in Photonik. Zu den Mitgliedern zählen Universitäten,
den Quantentechnologien möglichst frühzeitig in die Großunternehmen sowie auch Vertreter von KMU.
Anwendung zu überführen, ist zentrale Aufgabe der
Koordinierungsstelle Quantentechnologien in Nordrhein- NMWP.NRW und NMWP e.V. agieren als Innovations-
Westfalen (QT.NMWP.NRW) am Cluster NMWP.NRW. treiber und leisten einen elementaren Beitrag zur Wett-
bewerbsfähigkeit der Unternehmen und Forschungs-
NRW ist im Hinblick auf diese Schlüsseltechnologien einrichtungen aus NRW im internationalen Umfeld und
sehr stark aufgestellt. Sein bundesweiter Spitzenplatz präsentieren Nordrhein-Westfalen als attraktiven,
stützt sich unter anderem auf eine sehr hohe Dichte an nachhaltigen und effizienten Wirtschaftsstandort.
Impressum
Herausgeber Redaktion
Cluster NMWP.NRW Dr.-Ing. Harald Cremer Alle Ausgaben des NMWP-Magzins können
c/o NMWP Management GmbH Hendrik Köster (v.i.S.d.P.) auch als PDF-Datei auf der Internetseite
Merowingerplatz 1 www.nmwp.nrw.de gelesen und herunter-
40225 Düsseldorf geladen werden.
Umsetzung
Telefon: 0211 385459-0 Namentlich gekennzeichnete Beiträge
Telefax: 0211 385459-19 geben nicht unbedingt die Meinung des
Internet: www.nmwp.nrw.de Unentgeltliches Abonnement des Magazins Herausgebers wieder. Der Nach- bzw. teil-
www.portal.nmwp.de oder Informationen zu Adressänderungen: weise Abdruck ist nur mit Erlaubnis des
www.verein.nmwp.de hendrik.koester@nmwp.de Herausgebers gestattet.
Editorial Liebe Leserinnen und Leser, im vergangenen Jahr hat der Cluster NanoMikroWerkstoffePhotonik.NRW sein zehnjähriges Jubiläum gefeiert. Mit dem hohen Stellenwert der Innovation für die Wettbewerbs- und Zukunftsfähigkeit der nordrhein-westfälischen Wirtschaft im Blick, haben wir früh den großen Beschleunigungseffekt der Schlüsseltechnologien in diesem Kontext erkannt. Daher war es vom ersten Tag an unser Ziel, ein gutes Umfeld für High-Tech Innovationen zu schaffen und diese in am Markt erfolgreiche Produkte zu transferieren. Bis heute gelingt es uns, wichtige Trends und Entwicklungen frühzeitig zu er- kennen und aufkommende neue Technologien und deren Weiterentwicklung von Anfang an zu unterstützen. So wurde – als Teil des Clusters NMWP.NRW – Anfang 2019 die Koordinierungsstelle Quantentechnologien.NRW (QT.NMWP.NRW) zur Stärkung und Bündelung sämtlicher NRW-Aktivitäten im Bereich der Quanten- technologien ins Leben gerufen. Dies ist ein wichtiger Meilenstein unserer Arbeit, da die Quantentechnologien eine ebenso wichtige wie logische Ergänzung unseres Technologieportfolios darstellen und NRW einer der wichtigsten QT-Standorte Europas ist. Um Ihnen einen Einblick in die bereits heute vorhandene exzellente Expertise der Wirtschaft und Wissenschaft NRWs in diesen Bereichen zu geben und nicht zuletzt auch Inspiration für Ihre eigene Nutzung der Quantentechnologien zu bieten, haben wir das aktuelle NMWP Magazin ganz diesem spannenden Themenfeld gewidmet. Ein Veranstaltungs-Highlight wird dieses Jahr die am 29. und 30. Oktober in Münster stattfindende 9. NRW Nano- Konferenz sein. Auch dieses Jahr werden wieder zahlreiche internationale Expertinnen und Experten über aktuelle Entwicklungen und Potenziale der Nanotechnologien und Neuen Materialien sowie deren Anwendungsfelder diskutieren. Detailliertere Informationen hierzu erhalten Sie in Kürze. Im Bereich der Schlüsseltechnologie-Anwendungen haben wir 2019 einen starken Fokus auf den Bereich „Leichtbau“, zum Beispiel für automobile Anwendungen, gelegt. Mit dem Ziel, CO2 einzusparen, müssen Automobile leichter und Produktionsprozesse effizienter und ressourcenschonender werden. Um eine Bestandsaufnahme und Bedarfs- analyse aus der Wirtschaft zu erhalten, haben wir einen Strategieworkshop mit wichtigen Industrievertretern aus verschiedenen Wirtschaftsbereichen inmitten alter Boliden im Meilenwerk in Düsseldorf gehalten. Diese Ergebnisse und Bedarfe wurden auch in „Richtung Berlin“ gesendet, wo gerade das BMWI das zukünftige Förderinstrument „Technologietransferprogramm Leichtbau“ aufbaut. Auch hierbei hat sich NMWP.NRW aktiv in die Genese des fast 300 Mio. Euro großen Förderprogramms eingebracht. Dass sich nicht nur die Automobilbranche, sondern auch die Luftfahrtindustrie im Wandel befindet, hat das große Interesse an unserem zweiten anwendungsbezogenen ImpulsWorkshop „Innovationen und Technologien für die Luftfahrtindustrie“ gezeigt. Gut einhundert Expertinnen und Experten aus Wirtschaft und Wissenschaft diskutierten im Dezember 2019 über Potenziale, Risiken und Zukunftschancen für NRW in der Luftfahrt. Auch hier zeigte sich, dass bereits viele spannende Entwicklungen begonnen haben, die wir auch in diesem Jahr weiter begleiten werden. 2020 verspricht ein spannendes und innovatives Jahr zu werden, denn auch das Thema Strukturwandel im Rheinischen Revier konkretisiert sich weiter. Bis 2038 sollen ca. 15 Mrd. Euro investiert werden, um einerseits die Stromversorgung zu sichern und andererseits auch zukünftig wegfallende Arbeitsplätze durch neue zu ersetzen. Das erfreuliche dabei, die Schlüsseltechnologien werden hierzu einen wichtigen Beitrag leisten. So hat sich der Cluster NMWP.NRW bereits frühzeitig in den Entwicklungsprozess des „Wirtschafts- und Strukturprogramms 1.0“ eingebracht und die wirtschaftlichen Chancen und Potenziale der Schlüsseltechnologien aufgezeigt. Nicht zuletzt durch das Feedback vieler Akteure unseres Netzwerks konnten wir eine Vielzahl von Impulsen liefern, welche sich heute im Wirtschafts- und Strukturprogramm 1.0 wiederfinden. Gestalten Sie mit uns gemeinsam die Zukunft in NRW und im rheinischen Revier. Ich wünsche Ihnen viel Spaß bei der Lektüre! Dr.-Ing. Harald Cremer, Clustermanager NMWP.NRW Heft 01.2020 3
NMWP-Magazin | Heft 01.2020
Highlight-Thema
6 Die zweite Quantenrevolution – Quantentechnologien
Highlight-Thema: in Nordrhein-Westfalen.
Die zweite Quantenrevolution Quantentechnologien der zweiten Generation stellen
– Quantentechnologien in international einen der wichtigsten und wirtschaftlich
Nordrhein-Westfalen. aussichtsreichsten Technologietrends dar. 6
Grundlagen der zweiten Quantenrevolution.
Quantentechnologien im Allgemeinen beruhen darauf,
dass quantenphysikalische Effekte und Gesetze genutzt
14 werden. Dieser Artikel soll eine allgemeine Einführung in
das Themengebiet geben. 12
Die Quantentechnologien
müssen schnell ihren Weg in
die Anwendung finden.
NMWP im Gespräch
Die Quantentechnologien müssen schnell
ihren Weg in die Anwendung finden.
Dr. Gustav Kalbe, Referatsleiter “High Performance
20 Computing & Quantum Technology” in der DG CONNECT
der Europäischen Kommission und Prof. Dr. Tommaso
Quantenphysik ist die Calarco, Direktor des Instituts für Quantenkontrolle am
fundamentale Sprache Forschungszentrum Jülich über den Weg der Quanten-
des Universums. technologien in die Anwendung. 14
Quantenphysik ist die fundamentale
Sprache des Universums.
62 Dr. Florian Neukart, Director Advanced Technologies and
IT Strategy der VOLKSWAGEN Group of America, Inc.,
Die Luftfahrtindustrie über die Bedeutung von Quantentechnologien für
ist im Wandel – unterstützt Unternehmen. 20
durch NRWs Wirtschaft und
Wissenschaft.
Quantentechnologien in NRW
Quantencomputer am Start
64 Ein neuartiger Quantencomputer wurde
an der Universität Siegen erfolgreich erprobt. 24
Viele Zukunftsthemen auf
der 9. NRW Nano-Konferenz SkalierbareFestkörper-Qubits
im Oktober 2020 Münster. Supraleitende Qubits sind unter Quantencomputer-
Protoypen die prominenteste Technologie. 26
Mit Rauschunterdrückung auf
dem Weg zum Quantencomputer
67 Bessere Qubits durch Rauschunterdrückung. 28
Super-Surf gewinnt den Coole Elektronik für Quantencomputer
Deutsch-Niederländischen Zukünftige Quantencomputer benötigen Elektronik, die
Wirtschaftspreis 2019. skalierbare Lösungen erlaubt. 30
Inhalt
Elektronik für skalierbare Quantencomputer Steuerung der zweiten Quantenrevolution
Die Skalierung eines Quantencomputers Quantentechnologien werden das Hochleistungsrechnen,
stellt eine enorme Herausforderung dar. 32 die Sensorik und die Kommunikationstechnik
entscheidend prägen. 54
Quantenkommunikation über das Fasernetz
Quantenkommunikation verspricht eine Datenübertra- Optische Chips für Quanten 2.0
gung, der die Gesetze der Physik für ihre bedingungslose Innovative Anwendungen fundamentaler photonischer
Sicherheit zugrunde liegen. 34 Quanteneffekte für eine praxistaugliche Schlüsseltech-
nologie des 21. Jahrhunderts. 56
IT-Sicherheit in Zeiten des Quantencomputers
Zukünftige Quantencomputer bedrohen die Sicherheit Quantentechnologie auf Silizium Chips
heute eingesetzter kryptographischer Algorithmen. 36 Innovative Nanotechnologie-Verfahren zur Herstellung
quantenoptischer Systeme. 58
Mit Qubits sicher in die Zukunft
Quantenressourcen verstehen und nutzen. 38 Lasertechnik für die zweite Quantenrevolution
Laserstrahlquellen und Komponenten für
Bonn Fiber Lab Quantencomputer, Quantenkommunikation
Quantentechnologie und Präzisionsmessungen und Quantenbildgebung. 60
mit optischen Fasern. 40
Quantenmetrologie: Präzision für die Industrie Neues aus Cluster, Verein und Branche
Industrielle Prozesse werden immer schneller
und enger verzahnt, sodass eine präzise Die Luftfahrtindustrie ist im Wandel – unterstützt
Synchronisierung wettbewerbsentscheidend wird. 42 durch NRWs Wirtschaft und Wissenschaft
NRW ImpulsWorkshop „Innovationen und
Label-freie digitale Pathologie Technologien für die Luftfahrtindustrie“. 62
Der Einsatz von Quantenkaskadenlasern beflügelt
derzeit die Label-freie digitale Pathologie als Zukunfts- Viele Zukunftsthemen auf der
technologie in der Diagnostik. 44 9. NRW Nano-Konferenz im Oktober 2020 Münster
Das Advisory Board legte im Oktober 2019
Nanofabrikation für Quantencomputer den Grundstein für eine zukunftsorientierte,
Zum Bau eines Quantencomputers ist die vielseitige 9. NRW Nano-Konferenz in Münster. 64
Erzeugung eines manipulierbaren Quantensystems
eine Grundvoraussetzung. 46 Energiespeicher wie Batterien und Akkus sind
wichtige Enabler für technologische Innovation.
2D Materialien für Quantentechnologien Die Cluster EnergieForschung.NRW und NMWP.NRW
Zweidimensionale (2D) Materialien und insbesondere etablieren Arbeitskreis „Recycling von Lithium-Ionen-
deren Kombination zu sogenannten Van der Waals Batterien“. 66
Heterostrukturen haben großes Potential eine Schlüs-
selrolle in zukünftigen quantentechnologischen Super-Surf gewinnt den Deutsch-Niederländischen
Anwendungen zu spielen. 48 Wirtschaftspreis 2019.
Das ROCKET Innovationsprojekt
Farbzentren in Diamant für Einzelphotonenquellen ermöglicht die Massenproduktion von
Hocheffiziente Einzelphotonenquellen sind Bestandteil Wasserstoff-Brennstoffzellen. 67
der photonischen Quantentechnologie. 50
Neue Mitglieder im NMWP e.V. 68
Raumtemperatur Quantentechnologien
Die Kommerzialisierung von Quantentechnologien mit Zu guter Letzt70
derzeitigen Ansätzen erfordert eine extreme Kühlung.
Quantentechnologien auf Basis von NV-Farbzentren in Termine 71
Diamant weisen diese Probleme nicht auf. 52
Highlight-Thema Die zweite Quantenrevolution Quantentechnologien in Nordrhein-Westfalen. 6NMWP-Magazin
Highlight-Thema
Quantentechnologien der zweiten Generation stellen international einen
der wichtigsten und wirtschaftlich aussichtsreichsten Technologie-
trends dar, in dessen Entwicklung Staaten und Staatenverbünde wie
die EU, aber auch Unternehmen massiv investieren. Von den Anwen-
dungen der Quantentechnologien werden bahnbrechende Fortschritte
in Wirtschaft, Wissenschaft und Gesellschaft erwartet. Aber der Weg
dahin erfordert viel Aufwand, Geduld und auch weitreichende finan-
zielle Unterstützung für Forschungsprojekte – auf einer bisher nur grob
abschätzbaren Zeitskala.
„Quantentechnologien, das klingt doch nach Star bessere, schneller verfügbare und preiswertere Medi-
Wars“, ist eine der Aussagen, welche aus den letzten kamente mit besserer Verträglichkeit und Wirksamkeit,
Monaten immer noch am meisten nachhallt – und das neue Batteriematerialien, hochpräzise Sensoren zur
obwohl „Quanten“ eigentlich überall um uns herum sind Analyse von Hirnfunktionen – die Liste ließe sich noch
– als Bausteine unserer Welt. Manche Produkte, die auf deutlich fortsetzen und versetzt entsprechend viele
Quantenphänomenen beruhen, sind dabei schon längst Menschen in ein „Quantenfieber“. Studien, wie die der
Teil unseres Alltags geworden: Halbleiter, Transistoren, Boston Consulting Group, in der allein für die Nutzer
Dioden und Laser sind zum Beispiel in Computern, von Quantencomputern ein Produktivitätszuwachs in
Smartphones, Fernsehern, etc. enthalten und bilden Form von Kosteneinsparungen und Umsatzchancen von
damit die technische Grundlage für Datenkommunikation mehr als $450 Mrd. (rund 400 Mrd. €) pro Jahr in den
und Satellitennavigation. Allerdings sind alle diese bahn- kommenden Jahren prognostiziert werden1, heizen –
brechenden Entwicklungen der letzten 100 Jahre das wenn auch ohne übertriebene Annahmen zu Grunde zu
Resultat von Quanteneffekten von riesigen Mengen von legen – den entstehenden Hype noch mehr an. Begriffe
Atomen und Photonen (Lichtteilchen) – der sogenannten wie „disruptive Anwendungen“ und „Game-Changer-
„ersten Quantenrevolution“. Technologie“ sind zwar langfristig voraussichtlich richtig,
erzeugen aber oft eine zu kurzsichtige Erwartungshaltung.
Bei der „zweiten Quantenrevolution“ bzw. den Quanten-
technologien der zweiten Generation geht es nun um Viele der angesprochenen Problemstellungen und
die Nutzung und Manipulation (gezielte Beeinflussung) die damit verbundenen Chancen sind auch für
einzelner Quantenobjekte und deren Zustände. Für die Nordrhein-Westfalen und seine Wirtschaft von
Quantenobjekte gelten physikalische Gesetze und größter Bedeutung: Für die starke chemische und
Prinzipien, die scheinbar unseren Erfahrungen aus dem pharmazeutische Industrie sowie die vielen Material-
Alltag widersprechen: Effekte wie Verschränkung (engl. produzenten sind die zu erwartenden Möglichkeiten
„Entanglement”) und Überlagerung (engl. „Superposi- durch präzise Material-, Medikamenten- und Reaktions-
tion“) bieten das Potenzial für völlig neue technische simulation extrem vielfältig und die wirtschaftliche
Lösungen (mehr dazu unter „Grundlagen der zweiten Bedeutung eines staufreien oder zumindest stauarmen
Quantenrevolution“ auf S. 12). Ruhrgebiets ist immens. Gleichzeitig sind die Wechsel-
wirkungen mit den für NRW identifizierten Zukunfts-
So versprechen die aktuellen und zu erwartenden Entwick- themen Künstliche Intelligenz und Cybersicherheit vor
lungen der Quantentechnologien der zweiten Generation dem Hintergrund der massiven, parallelen Rechen-
wiederum bahnbrechende Fortschritte zur Lösung kapazität von Quantencomputern sowie die von der
wichtiger gesellschaftlicher und gesellschaftspolitischer Quantenkryptographie angebotene, durch die Gesetze
Problemstellungen, z.B. aus den Bereichen Verkehrs- der Physik bedingungslose Sicherheit in der Daten-
optimierung und autonome Mobilität, Cybersicherheit übertragung direkt evident.
und Sicherheitstechnik, Künstliche Intelligenz, Medizin-
technik oder auch Material- und Medikamenten- Aber auch die Vielzahl an hochspezialisierten mittel-
Wirkstoffsimulation und -entwicklung. Keinerlei Staus, ständischen Unternehmen, die als Marktführer in ihren
Heft 01.2020 1
Quelle: M. Langione et al., https://on.bcg.com/2H4w69K 7
Highlight-Thema
Produktbereichen eine sehr hohe Innovationskraft aufwei-
sen, können von den Chancen der Quantentechnologien
der zweiten Generation profitieren, da die angebotenen
Produkte durch potentielle Kosteneinsparungen, aber QT. NMWP.NRW
auch noch tiefergehende Produktverbesserungen noch Quantentechnologien in Nordrhein-Westfalen
besser am Markt platziert werden können. Nicht zuletzt
kann über die erfolgreiche Anziehung von Start-ups im Be- Sybille Niemeier
reich Quantentechnologien wesentliche Wertschöpfung Leiterin Koordinierungsstelle QT.NMWP.NRW
für NRW gesichert werden: Durch die exzellente
Forschungslandschaft, die Vielzahl von Firmenkunden Telefon: 0211 385459-12
und Endverbrauchern sowie die von der Landesregierung eMail: sybille.niemeier@nmwp.de
ins Leben gerufene umfassende Unterstützung von
Start-ups, bietet NRW Gründern eine gute Ausgangslage.
Besonders im Bereich Quantentechnologien ist dabei
davon auszugehen, dass ein wesentlicher Teil der Wert-
schöpfung nicht nur über bereits bestehende (Groß-)
Unternehmen sondern auch über Start-ups generiert
werden wird, welche teils erst in den kommenden Jahren
gegründet werden. Können Sie den QR-Code nicht lesen?
Treten Sie mit mir unter www.portal.nmwp.de in Kontakt.
Diese immense Bedeutung von Quantentechnologien
für NRW und seine Wirtschaft hat der Cluster NanoMikro-
WerkstoffePhotonik.NRW (NMWP.NRW) aufgrund der Die gute Ausgangslage für eine wirtschaftliche Wert-
eng mit den Quantentechnologien verknüpften Schlüssel- schöpfung in NRW schafft dabei vor allem die (inter-)
technologien, welche der Cluster bereits seit über zehn national renommierte Wissenschaftslandschaft in
Jahren im Landesauftrag betreut, früh erkannt. Einen NRW: Neben den einzelnen Aktivitäten an den (Fach-)
ImpulsWorkshop zum Thema „Quantentechnologien in Hochschulen und Forschungseinrichtungen in ganz
NRW“ veranstaltete der Cluster bereits im Frühjahr 2018, NRW existieren verschiedene Zusammenarbeiten mit
gefolgt von einem offenen Brief mit breiter Unterstützung anderen Wissenschafts- und Wirtschaftsstandorten
durch bereits im Themenfeld aktive Akteure an die beiden deutschlandweit z.B. im Rahmen der bisherigen Förder-
relevanten Landesministerien für Wirtschaft, Innovation, maßnahmen des Bundes, welche sich in dieser Legislatur-
Digitalisierung und Energie (MWIDE.NRW) einerseits periode auf 650 Millionen Euro belaufen. Um diese
und Kultur und Wissenschaft (MKW.NRW) andererseits. Fördermittel haben sich aus NRW Forschungsgruppen
Im folgenden Strategieprozess mit dem MWIDE.NRW der Universitäten in Aachen, Bonn, Münster, Paderborn
wurde der Cluster NMWP.NRW im März 2019 um die und Siegen sowie des Forschungszentrums Jülich erfolg-
Koordinierungsstelle für Quantentechnologien in NRW reich beworben. Aber auch europaweit konnten sich die
(QT.NMWP.NRW) erweitert, um Quantentechnologien NRW Forschungsstandorte erfolgreich um Fördermittel
in NRW möglichst zügig und umfassend zur wirtschaft- bewerben: Im Rahmen des Europäischen Quantum
lichen Wertschöpfung zu führen. Technologies Flagships, Teil des „Future and Emerging
Technologies (FET) Programms“ der Europäischen
Die Aufgaben der Koordinierungsstelle QT.NMWP.NRW Union, welches insgesamt mit mehr als einer Milliarde
lassen sich dabei im Wesentlichen in drei Bereiche Euro Fördermitteln ausgestattet ist, konnten sich einige
gliedern: Aufbauend auf dem bereits vorhandenen Standorte (Forschungsgruppen der Universitäten in
Netzwerk des Clusters NMWP.NRW, etabliert die Koor- Paderborn und Siegen sowie des Forschungszentrums
dinierungsstelle ein spezifisches Netzwerk von Akteuren Jülich) gegen Mitbewerber aus ganz Europa durchsetzen.
aus Wirtschaft und Wissenschaft, die bereits im Themen- Auch Forschungsgruppen der Universitäten Bonn,
feld Quantentechnologien aktiv sind oder aber in Dortmund, Düsseldorf und Köln werden darüber hinaus
Zukunft aktiv werden wollen. Diese Akteure und deren in der Datenbank der Europäischen Union gelistet aufgrund
Kompetenzen werden über die Öffentlichkeitsarbeit ihrer Forschungsprojekte im Bereich der Quanten-
der Koordinierungsstelle in einer NRW übergreifenden technologien.
Strategie vorrangig auf Bundes- und EU Ebene, aber
auch darüber hinaus positioniert und die Aktivitäten Besonders erfreulich für NRW sind zudem die NRW
der Akteure, der Koordinierungsstelle und des Landes internen Kooperationen im Bereich Quantentechnologien,
präsentiert. Zudem übernimmt die Koordinierungsstelle welche durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft
die strategische Weiterentwicklung der Quanten- (DFG) gefördert werden: Der Sonderforschungs-
technologien in NRW, indem wichtige Handlungsfelder bereich SFB/Transregio 142 „Maßgeschneiderte
unter Einbindung sämtlicher Akteure aus Wissenschaft nicht lineare Photonik: Von grundlegenden Konzepten
und Wirtschaft identifiziert, entwickelt und zur Umsetzung zu funktionellen Strukturen“ zwischen der Universität
gebracht werden. Paderborn und der TU Dortmund entwickelt maßge-
8NMWP-Magazin
Highlight-Thema
Westfälische Wilhelms-Universität Münster, S. 59
Universität Paderborn, S. 57
Ruhr-Universität Bochum, S. 45
secunet Security Networks AG, S. 37 Raith GmbH, S. 47
Fraunhofer IMS, S. 33
Technische Universität Dortmund, S. 35
Quantum Technologies® Projekt, S. 53
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, S. 39
Universität zu Köln, S. 29
Forschungszentrum Jülich GmbH, S. 31, 55
Universität Siegen, S. 25, 51
Fraunhofer ILT, S. 61
RWTH Aachen University, S. 27, 49
Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, S. 41, 43
#QCSA – Quantencomputer, -simulatoren und -algorithmen
#QKK – Quantenkommunikation und -kryptographie
#QMS – Quantenmetrologie und -sensorik
#QET – Quantum Enabling Technologies
schneiderte nichtlineare Photonik durch innovative Forschungsgruppen abdeckt: Die Forschung am Peter
Konzepte u.a. aus der Quantenoptik, um neuartige Grünberg Institut (PGI) des Forschungszentrums
Komponenten für künftige Informationstechnologien reicht an insgesamt 13 Unterinstituten von physikali-
herzustellen. schen Konzepten über fortschrittliche Materialien bis
hin zu neuartigen nanoelektronischen Bauelementen.
Das zweite NRW Leuchtturm-Projekt im Bereich Quanten- Im JARA Institut für Quanteninformation kombiniert es
technologien ist der DFG Exzellenzcluster „Matter die Kräfte der theoretischen und experimentellen
and Light for Quantum Computing (ML4Q)“. Dieser Forschung in der Quanteninformatik in Jülich und Aachen
Exzellenzcluster der Universitäten Köln, Aachen und mit dem übergeordneten Ziel, zur Realisierung groß
Bonn sowie des Forschungszentrums Jülich, der seit angelegter Quantenrechnungen beizutragen. Dieser
Januar 2019 im Rahmen der Exzellenzstrategie der Bereich wird durch zwei weitere Institutsbereiche und
DFG gefördert wird, widmet sich der Herstellung besse- neue Berufungen ausgebaut. Mit diesem breiten
rer Qubits. Insbesondere werden zwei Modelle von Forschungsspektrum ist das PGI und JARA, wie bereits
Qubits ausführlich untersucht: Topologische Majorana erwähnt, aktiver Partner im Exzellenzcluster ML4Q und
Qubits und siliziumbasierte Quantum Dots. im Europäischen Quantum Technologies Flagship.
Ermöglicht wird dies auch durch die enge Zusammenarbeit
Eine besondere Rolle kommt zudem dem Forschungs- mit weiteren Instituten des Forschungszentrums: Dem
zentrum Jülich – einem Mitglied der Helmholtz- Jülich Supercomputing Center (JSC), der Helmholtz
Gemeinschaft – zu, welches unter dem Dach der Jülich Nanoelectric Facility (HNF) und dem Zentralinstitut für
Aachen Research Alliance (JARA) gemeinsam mit der Engineering, Elektronik und Analytik (ZEA). Mit dem
RWTH Aachen University unterschiedliche Teilbereiche erst kürzlich ins Leben gerufenen Helmholtz Quantum
der Quantentechnologieforschung mit zahlreichen Center (HQC) wird ein zentrales Technologielabor etabliert,
Heft 01.2020 9
Highlight-Thema
welches das gesamte Forschungsspektrum für Quanten- Seite 12). Qubits sind einzelne Atome, Ionen, Photonen
computing von der Erforschung von Quantenmaterialien oder quantenelektronische Schaltkreise. Durch das
bis zur Prototypenentwicklung abdeckt und das neue quantenmechanische Prinzip der „Verschränkung“
Institut für Quantencomputing des PGI beherbergen soll. können sich Qubits untereinander verbinden und einen
Im Bereich des Rechnens mit Quantencomputern, also komplexen Gesamtzustand annehmen – die Bits eines
der Anwendung von Quantencomputern, liegt ein weiterer, herkömmlichen Computers sind hingegen voneinander
hochkarätiger Schwerpunkt des Forschungszentrums unabhängig. Damit eigenen sich Quantencomputer
Jülich: Am Jülich Supercomputing Center (JSC) wurde vor allem für die Berechnung von Systemen mit
bereits im Oktober 2019 JUNIQ, die „Jülicher Nutzer- zahlreichen veränderlichen Bedingungen, die sich
Infrastruktur für Quantencomputing“, in Betrieb genom- gegenseitig beeinflussen.
men. JUNIQ ist ein in Europa einzigartiges Angebot einer
Infrastruktur, die unterschiedlichen Nutzergruppen einen Universell programmierbare Quantencomputer, die
anwenderfreundlichen Zugang zum Quantencomputing jede Art von Rechenoperation mit einer großen Anzahl
ermöglicht. Neben dem seit Start von JUNIQ bereits (einige Tausend) an untereinander verschränkten
möglichen Zugriff auf ein System des kanadischen Qubits durchführen, sind der „heilige Gral“ der Quan-
Anbieters D-Wave, arbeitet das JSC auch mit der euro- tentechnologie: Mit steigender Anzahl verschränkter
päischen Firma ATOS sowie darüber hinaus mit Google Qubits nimmt deren Empfindlichkeit gegenüber Um-
zusammen. welteinflüssen deutlich zu, sodass die Verschränkung
der Qubits auf Basis des aktuellen Stands der Technik
Mit diesem Magazin zum Thema „Quantentechnologien nach kurzer Zeit abnimmt. Trotzdem konnte Google vor
in NRW“ möchten wir Ihnen eine umfassende Übersicht kurzem auf Basis einer akademischen Fragestellung
(ohne Anspruch auf Vollständigkeit) über Aktivitäten in erstmalig die sogenannte „Quantenüberlegenheit“ un-
NRW geben und Ihr Interesse für das Thema wecken: ter Beweis stellen: Der verwendete Quantencomputer
Eine Vielzahl der bereits erwähnten Einrichtungen aber löste das Problem schneller als der Supercomputer ei-
auch einige Firmen und weitere Einrichtungen stellen nes Mitbewerbers.
sich und ihre Arbeiten vor. In oben stehender Karte
von NRW haben wir alle Beiträge lokalisiert, sodass Sie Quantensimulatoren als eine Untergruppe der Quanten-
sehen können, wer in Ihrer direkten Umgebung bereits computer, sind spezielle Quantensysteme, die dem-
aktiv ist. Um Ihnen darüber hinaus den Einstieg in das entsprechend auch nur zur Lösung bestimmter
Thema zu erleichtern und Ihnen den schnellen Zugang Quantenphänomene geeignet sind. Da sie keine um-
zu für Sie interessante Beiträgen zu ermöglichen, haben fassende Kontrolle aller Systemparameter zulassen,
wir die Beiträge im Heft gemäß der gebräuchlichen Unter- sind sie einfacher zu bauen und erlauben mit einer
teilung von Unterdisziplinen thematisch sortiert – Sie größeren Anzahl an Qubits schneller einen Nutzen für
finden sie mit Hilfe der Hashtags (#). konkrete Anwendungen.
#QCSA – Quantencomputer, -simulatoren Da Quantencomputer grundsätzlich anders rechnen als
und -algorithmen klassische Computer müssen für ihren Einsatz zudem
Quantencomputer haben das Potenzial rechenintensivere spezielle Algorithmen entwickelt werden. Neben der
Aufgaben sehr viel schneller zu lösen als klassische Berechnung von interessanten Problemstellungen dienen
Computer. Die kleinsten Recheneinheiten eines Quanten- diese Algorithmen auch zum Vergleich und Test der
computers sind die „Quantum Bits“ (Qubits), die gleich- verschiedenen Hardwareplattformen und Architekturen
zeitig den Zustand 0 und 1 annehmen können (siehe von Quantencomputern.
Unten: Die Kick-off Veranstaltung der Koordinierungsstelle Quantentechnologien in NRW brachte viele gemeinsame Ziele und Themen der Akteure hervor.
(© NMWP.NRW)
10NMWP-MagazinHighlight-Thema
Anwendungsgebiete von Quantencomputern liegen unerreichter Präzision überhaupt erst nachgewiesen
zum Beispiel in der Mustererkennung, dem maschinellen und vermessen werden.
Lernen und der Lösung von Optimierungsproblemen.
Dadurch eignen sie sich für bessere Suchalgorithmen in Extrem hohe Genauigkeit ist auch bei der Definition von
Datenbanken, schnellen Berechnungen zum Verkehrs- Standards von hoher Relevanz. Diese Standards gelten
fluss, Berechnen von optimalen Materialeigenschaften dann als Referenz für andere Geräte: Ein bekanntes
oder auch der Simulation von Molekülen z.B. für Chemie Beispiel ist die Nutzung von Atomuhren, die seit
und Pharmazie. Jahrzehnten als Zeitreferenz für das Global Positioning
System (GPS) eingesetzt werden.
#QKK – Quantenkommunikation und -kryptographie
Während zukünftige universelle Quantencomputer mit Besonders im Bereich Quantenmetrologie und -sensorik
einigen Tausend Qubits einerseits das Entschlüsseln gibt es viele sehr relevante Anwendungen, die von hohem
heutiger Kryptographieverfahren ermöglichen, erlaubt wirtschaftlichem Potenzial sind: Die medizinische
die Quantenkommunikation andererseits absolut Diagnostik, das Auffinden von Bodenschätzen, die
abhörsichere Informationsübertragung. Dazu nutzt Satellitennavigation für z.B. autonomen Verkehr oder
die Quantenkommunikation verschränkte Quanten- auch die industrielle Präzisionsmesstechnik eröffnen
zustände von Quantenobjekten wie z.B. Photonen zum für viele Wirtschaftszweige neue anspruchsvolle
Schlüsselaustausch. Da unbekannte Quantenzustände Anwendungen, die auch in neuen Produkten für Nutzer
sich nicht kopieren oder störungsfrei vermessen lassen, resultieren können. Gerade Quantensensoren, die auch
kann ein Lauschangriff auf den Schlüssel eines Datensatzes bei Raumtemperatur nutzbar sind, eröffnen Möglichkeiten
unweigerlich als Fehler in der Übertragung festgestellt für eine weitergehende Miniaturisierung und damit
werden. Mit Hilfe der Quantenkryptographie lassen sich einhergehend für eine langfristige Kostenreduzierung.
also Schlüssel zu geheimen Informationen auf Basis eines
physikalischen Naturgesetztes absolut sicher übertragen. #QET – Quantum Enabling Technologies
Um die beschriebenen Quantentechnologien von der
Da Quantenzustände aber extrem empfindlich sind, Innovation hin zu einem Produkt zu überführen, sind die
müssen noch große technische Herausforderungen Basistechnologien – die „enabling technologies“ – von
überwunden werden. Die schwachen Signale einzelner großer Bedeutung. Sie dienen als Grundlage auf dem
Quantenobjekte (z.B. einzelnen Photonen) lassen sich Weg zu robusten Geräten, da bisherige Anwendungen
momentan nur über Entfernungen von einigen hundert oft große Anforderungen in Bezug auf Größe, (Labor-)
Kilometern zuverlässig mittels Glasfasern übertragen. Gerätschaften sowie Personal stellen.
Lösungen per Satellit oder die Aneinanderreihung von
Teilabschnitten werden aktuell genauso erforscht wie Insbesondere die (Weiter-)Entwicklung der Geräte, die
Quantenrepeater – Zwischenverstärker für Quanten. zur Beherrschung der extrem empfindlichen Quanten-
zustände dienen, ist von großer Bedeutung um mittel-
Da aufgezeichnete Kommunikation mit heutiger Ver- bis langfristig robuste und betriebssichere Geräte zur
schlüsselungstechnik nachträglich entschlüsselt werden Verfügung stellen zu können, die klein, effizient und
könnte von zukünftig verfügbaren Quantencomputern, kompakt sind und sowohl Zuverlässigkeit als auch Kos-
müssen bereits heute entsprechende Verschlüsslungs- teneffizienz in sich vereinen.
verfahren entwickelt werden. Relevanz besitzt dieser
Teilbereich der Quantentechnologien damit zum Beispiel Besonders die Quantenoptik bildet einen wichtigen Teil-
für den Finanzsektor und den Schutz persönlicher Daten. bereich der Basistechnologien: Hochleistungslichtquellen
Aber auch der Schutz kritischer Infrastrukturen wie z.B. sowie optische Komponenten mit sehr speziellen, aber
Stromnetzen oder die mögliche Manipulation von auto- extrem präzisionsbedürftigen Anwendungen bilden
nomen Fahrzeugen sind Anwendungen, bei denen Quanten- eine wesentliche Grundlage für wichtige Schritte hin
kommunikation und -kryptographie eine Rolle spielen wird. zum Produkt. Insbesondere im Bereich der Kommuni-
kationstechnologien werden optische Komponenten
#QMS – Quantenmetrologie und -sensorik und Lichtquellen mit hoher Leistungsfähigkeit, aber
Während die Empfindlichkeit von Quantenzuständen verringerter Komplexität und geringem Preis benötigt.
und -systemen für die Entwicklung robuster Quanten-
computer und -kommunikationstechnik ein großes Diese Basistechnologien werden relevant sein für die Aus-
Problem darstellt, ist sie für die Messtechnik ein Segen: rüstung von Universitäten und Forschungsinstituten,
Aufgrund der extremen Sensibilität gegenüber Umwelt- aber auch für die Forschungs- und Entwicklungsabtei-
einflüssen, lassen sich extrem hohe Messempfindlichkeiten lungen von Unternehmen. Für deutsche Unternehmen,
erreichen. So können auch sehr schwache Signale mit die häufig Anbieter von High-Tech-Produkten auf einem
quantenmechanischen Eigenschaften wie der Super- sehr hohen Level sind, eröffnen sich dadurch zusätzliche
position oder Verschränkung von Quanten mit bisher Chancen im Bereich Quantentechnologien.
Heft 01.2020 11Highlight-Thema
Grundlagen der zweiten
Quantenrevolution.
Quantentechnologien im Allgemeinen beruhen dar- tig“ auch alle Zustände dazwischen anzeigen. Das
auf, dass quantenphysikalische Effekte und Gesetze „Quantum Bit“, kurz Qubit, als Recheneinheit eines
genutzt werden, um technische Lösungen in be- Quantencomputers folgt diesem Bild und kann so-
stimmten Anwendungsgebieten umzusetzen. Dabei wohl die Zustände 0 und 1 als auch alle dazwischen
handelt es sich um Effekte und Gesetze, die sich gleichzeitig annehmen.
nicht mehr mit den klassischen Theorien der Physik
beschreiben lassen, sondern zur Erklärung zum Bei- Die Verschränkung ist eine Art Kopplung zwischen
spiel die Grundlage herangezogen werden muss, zwei oder mehr Quantenobjekten: Sie sind nicht
dass Energie zwischen Systemen nur in Quanten mehr unabhängig voneinander, sondern ändern ih-
(in bestimmten ‚Portionsgrößen‘) ausgetauscht ren Zustand in Abhängigkeit voneinander. Wird zum
werden kann. Beispiel ein Qubit verändert, verändert sich auch
das andere. Auf diese Weise lassen sich dann Algo-
Das wohl bekannteste Quant ist das Photon, das rithmen auf dem Quantenrechner ausführen. Ver-
Lichtteilchen, das zum Beispiel entsteht, wenn ein schränkt man möglichst viele Qubits miteinander,
Atom aus einem energetisch angeregten Zustand in so kommt der überlegene Quantencomputer zu-
den energetischen Grundzustand übergeht. Dabei stande: Parallele Rechenoperationen mit einer Viel-
kann das Photon nur bestimmte (diskrete) Energien zahl an Zuständen können riesige Datenmengen in
annehmen, die der Energie des Übergangs entspre- deutlich kürzerer Zeit bewältigen.
chen und spezifisch für das Atom sind. Zudem gilt,
dass das Photon, wie alle Quanten, nur als Ganzes Das berühmte „Problem des Handlungsreisenden“
vernichtet oder erzeugt werden kann. (engl. „Travelling Salesman Problem“), der mehrere
Orte so bereisen soll, dass er keinen der Orte – au-
Die aktuell vonstattengehende zweite Quanten- ßer den ersten, an den er zurückkehren soll – mehr-
revolution basiert auf der Möglichkeit zur gezielten fach besucht und eine möglichst kurze Gesamtrei-
Beeinflussung von Quantenobjekten wie einzelnen sestrecke zurücklegt, ist eines der typischen
Atomen, Ionen oder auch Photonen um technische Optimierungsprobleme, das die Relevanz eines
Lösungen zu erzielen, während es sich bei der ersten Quantencomputers zeigt. Mit zunehmender Zahl
Quantenrevolution noch die Beeinflussung großer der zu bereisenden Städte nimmt die Anzahl der zu
Mengen von Objekten handelte. Unsere Intuition aus prüfenden Routen extrem schnell zu. Herkömmliche
dem täglichen Leben setzt hier aus: Quantenobjekte Computer müssen alle Routen nacheinander be-
können sich an mehreren Orten gleichzeitig befinden, rechnen – zukünftige (universelle) Quantencompu-
nichts kann wirklich mit Sicherheit vorhergesagt ter können die Routen gleichzeitig prüfen und liefern
werden und eine Beobachtung (Messung) verändert damit Ergebnisse in wesentlich kürzerer Zeit. Ein
das beobachtete Objekt. Inzwischen können wir uns Traum für jedes Logistikunternehmen!
diese zunächst seltsamen Eigenschaften zu Nutze
machen – und daraus Technologie entwickeln. Derzeitige Quantencomputer-Technik ermöglicht
allerdings bisher nur die Verschränkung von 20 bis
Zwei der wichtigsten Effekte für den besonderen 70 Qubits, die bei Temperaturen nahe dem absolu-
technischen Fortschritt der zweiten Quantenrevolu- ten Nullpunkt (-273 °C) betrieben werden müssen
tion sind die Verschränkung (engl. „Entanglement”) und trotzdem so anfällig gegen Störungen jeder Art
und die Überlagerung (engl. „Superposition“): sind, dass sie nur für extrem kurze Zeit miteinander
verschränkt bleiben und damit auch nur in dieser
Die Überlagerung wird häufig mit Hilfe einer Münze Zeit Rechenoperationen ausführen können. Für die
verbildlicht. Bei einem „normalen“ Objekt zeigt die Verbesserung der Rechenkapazitäten ist sowohl die
liegende Münze immer entweder Kopf oder Zahl – Optimierung der unterschiedlichen Hardware An-
das Bit als grundlegende Recheneinheit in einem sätze für Quantencomputer als auch die sogenann-
Computer nimmt zum Beispiel die digitalen Werte 0 te Quantenfehlerkorrektur von großer Relevanz. In
oder 1 an. Das Quantenobjekt gleicht nun mehr einer beiden Bereichen besitzt Nordrhein-Westfalen
Münze, die auf Ihrer Kante kreiselt oder aber rotie- enorme wissenschaftliche Kompetenzen (siehe u.a.
rend in die Luft geworfen wurde. Ihr Zustand ist nicht Beiträge auf S. 24-33, 46 und 52).
definierbar – sie kann Kopf oder Zahl und „gleichzei-
12NMWP-Magazin9th NRW Nano Conference
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Die Quantentechnologien
müssen schnell ihren Weg in
die Anwendung finden.
Die Koordinierungsstelle QT.NMWP.NRW am Cluster NMWP.NRW
im Gespräch mit Dr. Gustav Kalbe, Referatsleiter “High Performance
Computing & Quantum Technology” in der DG CONNECT der
Europäischen Kommission und Prof. Dr. Tommaso Calarco, Direktor
des Instituts für Quantenkontrolle am Forschungszentrum Jülich sowie
Initiator und Vorsitzender des Quantum Community Network des
EU FET Flagship Quantum Technologies.
Herr Dr. Kalbe, Herr Prof. Calarco, die sogenannte erste Nachdem wir mit einzelnen Photonen Schlüssel
Quantenrevolution startete Anfang des 20. Jahrhunderts herstellen können für die sichere Kommunikation,
und führte zu heute so alltäglichen Produkten wie Laser, werden unsere Daten physikalisch unknackbar sicher
Halbleiter-Transistoren und Prozessoren. Warum ist nun übertragen. Das betrifft eine neue Infrastruktur, die
von der „zweiten Quantenrevolution“ die Rede? jetzt auch auf EU-Ebene aufgebaut wird. Wenn wir über
Sensorik reden, hat diese besondere Auswirkungen auf
Prof. Tommaso Calarco (TC): Die zweite Quantenrevolution die medizinische Diagnostik, aber auch zum Beispiel
besteht darin, dass wir einzelne Quantenfreiheitsgrade auf Zeitmessung und Satellitennavigation. Wir verwenden
manipulieren. Was heißt „Freiheitsgrade“? Das ist ein einzelne Elektronen beziehungsweise Atome, um ultra-
technischer Begriff aus der Physik. Betroffen sind einzelne präzise relevante Größen zu messen, wie magnetische
Objekte wie Elektronen, Photonen, einzelne Atome oder Felder von einzelnen Neuronen in unserem Gehirn in
Ionen oder eben auch einzelne Quanten innerhalb mikros- Echtzeit oder die Messung der Zeit für die satelliten-
kopischer Schaltkreise, wie zum Beispiel die supraleitenden basierte Navigation autonom fahrender Autos. Wenn wir
Schaltkreise von Google. Dort sind sehr viele Elektronen im Bereich des Rechnens Anwendungen von Quanten-
unterwegs, aber die verhalten sich alle wie ein einziges computern und Quantensimulatoren betrachten, dann
Quant. Wenn wir diese einzelnen Quanten manipulieren, sind wir in der Lage, eine enorme Rechenleistung zu
dann entstehen die Effekte der zweiten Quantenrevolution. entwickeln, die uns in einer Menge von Anwendungen
unterstützen könnte. Von der Optimierung in der Industrie,
Dr. Gustav Kalbe (GK): Erlauben Sie mir eine etwas weniger wie zum Beispiel in der Logistik, im Bereich der
wissenschaftliche Darstellung: Es geht darum, dass wir künstlichen Intelligenz bis hin zur Entwicklung von
nicht nur die Quantenphysik nun verstehen, sondern neuen Materialien und Chemikalien mittels Quanten-
mittlerweile in der Lage sind, die quantenmechanischen, simulatoren. So breit ist die Palette der möglichen Anwen-
physikalischen Gesetze für praktische Anwendungen dungen der verschiedenen Quantentechnologien.
zu manipulieren.
GK: Wir sind jetzt erst am Anfang der praktischen Nutzung
Auf welche Bereiche werden die Quantentechnologien von Quanteneffekten und Quantentechnologien. Es ist
Ihrer Meinung nach den größten Einfluss haben? noch äußerst schwierig abzuschätzen, in welchen Berei-
chen die Quantenkomponenten schlussendlich genutzt
TC: Da gibt es einige große Bereiche, wo das passieren werden. Was wir jetzt schon wissen ist, dass wir dadurch,
wird. Einmal im Bereich der Kommunikationssicherheit. dass wir die Grundbausteine der Materie manipulieren,
14NMWP-MagazinDr. Gustav Kalbe, Referatsleiter “High Performance Computing & Prof. Dr. Tommaso Calarco, Direktor des Instituts für Quantenkon-
Quantum Technology”, DG CONNECT, Europäische Kommission. trolle am Forschungszentrum Jülich sowie Initiator und Mitglied
(© Dr. Gustav Kalbe) des High-Level Steering Committee des EU FET Flagship Quantum
Technologies. (© NMWP.NRW)
wir zum einen bei allem, was die Messtechnik und die „Supremacy“ ist rein akademisch interessant, aber für
Sensorik betrifft, die höchstmögliche Messgenauigkeit die Gesellschaft von fast keinem praktischen Nutzen.
erreichen werden, in allen möglichen Anwendungsbe- Wir wollen von der „Quantum Supremacy“ zum „Quan-
reichen von der Medizin zur Geologie. Andererseits tum Advantage“, also zum Quantenvorteil, übergehen,
erwarten wir natürlich auch einen großen Durchbruch wo wir Algorithmen entwickeln, die für die Gesellschaft
in allem, was Datenverarbeitung betrifft – Speicherung, interessant sind. Erst dann werden wir Ihre Frage we-
Berechnung und Transport von Daten sowie Daten- nigstens ansatzweise beantworten können.
sicherheit. Überall dort, wo wir die Miniaturisierung bis
auf das letzte Level ausgereizt haben. Deswegen sind GK: Es ist ziemlich klar, dass noch große technische
momentan die Gebiete, die als Top-Applications angesehen Hürden bestehen, bevor wir wirklich von praktischen,
werden alles, was im Kontext von Sensorik, Computing alltagstauglichen Quantenrechnern reden können.
und Kommunikation steht. Nur, wie das in zwanzig Jahren Heute schauen wir, wo wir selbst mit kleinen Quanten-
aussieht, ist schwer einzuschätzen. Wir wussten vor systemen schon einen schnellen Mehrwert generieren
vierzig Jahren ja auch nicht, dass die Laser, die für die können. Zum Beispiel arbeiten wir daran, Quantenprozes-
Spektroskopie entwickelt wurden, heute dazu dienen, soren als Beschleuniger an klassische Hochleistungs-
automatisch Toiletten zu spülen. rechner anzuknüpfen, da sie eine ganz bestimmte Art
»Wir wollen von der „Quantum Supremacy“ zum „Quantum Advantage“,
also zum Quantenvorteil übergehen, wo wir Algorithmen entwickeln,
die für die Gesellschaft interessant sind.«
Prof. Dr. Tommaso Calarco, Direktor des Instituts für Quantenkontrolle am Forschungszentrum Jülich
Hochleistungscomputer (HPC) führen aktuell in verschie- von Problemen besser lösen können als „klassische“
densten Anwendungen das Feld in puncto Performance Maschinen, aber eben nicht alle Anwendungen.
an. Seit dem kürzlich von Google veröffentlichten Papier Künstliche Intelligenz ist ein Beispiel. Außerdem erhoffen
zur „Quantum Supremacy“, also der Quantenüberlegenheit, wir uns von der Einführung von mehr und mehr Quanten-
zeichnet sich ab, dass HPCs in manchen Anwendungen rechnerkomponenten auch den Energiebedarf der ganzen
durch Quantencomputer überflügelt werden. Welche Datenverarbeitung wieder auf ein vertretbares Maß
Potenziale für die Zukunft sehen Sie für das Quanten- herunterfahren zu können.
computing und wie groß schätzen Sie die Hürden bei der
Überführung in die jeweiligen Anwendungen ein? TC: Diese Anknüpfung zwischen klassischen Hochleistungs-
computern und den ersten Quantenprozessoren ist ein
TC: Es ist noch viel zu früh, um solche Aussagen zu treffen. Thema, welches gerade in NRW von großer Bedeutung
Zunächst geht es darum, wirklich nützliche Anwendun- ist. Einerseits haben wir in NRW mit Aachen, Köln, Bonn
gen zu finden. Diese erfordern aber eine enorme Anzahl und Jülich einen Exzellenzcluster aus der Exzellenzinitiative
von Quantenbits. Ja, Google konnte diesen Meilenstein der Bundesregierung, welcher gerade zum Thema
erreichen mit 53 Qbits, aber um wirklich KI-Anwendungen Quantencomputing arbeitet. Andererseits haben wir aber
mit Quantencomputern zu erreichen, brauchen wir auch in Jülich ein Zentrum, wo der erste supraleitende
fehlerkorrigierte Quantencomputer mit Tausenden, Quantencomputer, welcher aus dem Flagship-Projekt
Hunderttausenden, vielleicht Millionen von Quantenbits. OpenSuperQ herauskommen wird, aufgebaut wird –
Heft 01.2020 15NMWP im Gespräch
mit Teilen, die aus ganz Europa kommen. Außerdem ergebnissen in Marktanwendungen.
steht in Jülich ein wichtiger Hochleistungscomputer,
sodass die Möglichkeit einer Verbindung beider Systeme Worin liegt in diesem Kontext die zentrale Mission des
hier gegeben ist. Darüber hinaus möchte sich die Region Quantum-Flagships? Was kann das Flagship beitragen?
als ein Teil einer möglichen europäischen Infrastruktur zu
Quantencomputing und -simulationen bewerben. GK: Wir müssen in Europa unsere Anstrengungen verstär-
ken, die ganzen Forschungsergebnisse in Anwendungen
Wo steht Europas Forschungslandschaft in Bezug auf und Märkte umzusetzen. Das ist einer der Gründe, wenn
Quantentechnologien im internationalen Vergleich? nicht sogar der Hauptgrund, warum vor zwei Jahren das
Quantentechnologien Flagship ins Leben gerufen wurde.
TC: Im Quantencomputing gibt es den Ansatz der supra- Dies möchten wir 2021 mit dem neuen Rahmenpro-
leitenden Qbits. Da haben die USA die Nase vorn, zuletzt gramm der Europäischen Union durch Förderung von
sichtbar in der Veröffentlichung von Google. Das zeigt Infrastrukturmaßnahmen begleiten, sei es zum Aufbau
uns, dass hier ein Vorsprung zu Europa von ein bis zwei von Quantencomputing-Infrastrukturen, sei es zum
Jahren besteht. Konkret ist das Ziel von OpenSuperQ, Aufbau von Quantenkommunikationsnetzen oder
mindestens 50 Qbits in zwei Jahren, also bis Ende 2021, selbst zum Aufbau und zur Unterstützung von großen
zu erreichen. Im Gegensatz dazu ist Europa momentan Infrastrukturprojekten im Bereich der Sensorik.
führend sowohl bei Ionen-Quantencomputern als auch
bei Rydberg-Atomen für Quantensimulatoren und Das Quantum-Flagship fördert insgesamt 20 F&E-
Quantencomputing. Bemerkenswert in dem Kontext ist Projekte im Bereich der vier Themenfelder Quanten-
es, dass demnächst hier in NRW ein Start-up zu Ionen- kommunikation, -simulation, und -computing sowie
Quantencomputern an der Uni Siegen entsteht. Quantenmetrologie und -sensorik. Können Sie ein, zwei
Beispiele geben, worum es geht?
Wenn wir über Quantensensorik reden, sind die Prota-
gonisten auf diesem Gebiet in Baden-Württemberg an GK: Lassen Sie mich zwei Beispiele herausgreifen. Das
den Universitäten in Ulm und Stuttgart. Das sind wiederum Eine wurde schon von Herrn Prof. Calraco erwähnt, das ist
alles Projekte, die im Quantum Flagship fest verankert der Einsatz von Quantenprozessoren als Beschleuniger
sind und Anwendungen in Richtung Medizin haben. in den klassischen Hochleistungsrechnern. Hierzu unter-
Dies ist ein gutes Beispiel für eine große Stärke in Europa, stützen wir im Flagship zwei Projekte, eines davon ist
die von den USA anerkannt wird. soweit ich weiß in Jülich angesiedelt, wo wir die technische
»Vom rein wissenschaftlichen Standpunkt betrachtet ist Europa
weltweit führend. […] Nicht so weit fortgeschritten ist Europa im
Vergleich zu anderen Nationen in der Umsetzung von Forschungs-
ergebnissen in Marktanwendungen.«
Dr. Gustav Kalbe, Referatsleiter “High Performance Computing & Quantum Technology”, DG CONNECT, Europäische Kommission
Auch die Quantenkommunikation hat in Europa ihren Machbarkeit des Zusammenschlusses von klassischen
Ursprung. Zum Beispiel ist ID Quantique ein Unternehmen Rechnern mit Quantenrechnern testen mit dem Ziel,
aus Genf welches – vor etwa zwanzig Jahren an der dass wir um 2027 herum marktreife Hochleistungs-
Uni Genf aus einer Reihe EU-Projekten entstanden – rechner anbieten können, deren Rechenleistung über
seitdem Weltmarktführer in diesem Bereich ist. In die die der jetzigen klassischen Maschinen deutlich hinaus
Implementierung von Satelliten-Quantenkommunikation geht und die gezielt die jeweils günstigste Rechen-
hingegen hat China sehr viel investiert, sodass bereits architektur, sei es Quanten, sei es klassisch, ausnutzen.
vor ein paar Jahren ein Satellit mit dieser Technologie in
den Weltraum geschossen werden konnte. Kürzlich hat Andere Beispiele liegen im Bereich der Messtechnik.
die European Space Agency (ESA) beschlossen, ein Pro- Sei es, um die Zeit oder eine Frequenz zu messen, damit
gramm zu Quantentechnologie im Weltraum zu starten. durch diese Technologie das satellitengestützte
Aktuell ist demnach in der Implementierung China Positionierungssystem „Galileo“ Ihre Position mit einer
führend, dennoch kommt die Kompetenz aus Europa. Genauigkeit von wenigen Zentimetern bestimmen kann.
Oder sei es, damit Sie in der Lage sind, das Gravi-
GK: Vom rein wissenschaftlichen Standpunkt betrachtet tationsfeld der Erde mit so einer Genauigkeit zu messen,
ist Europa weltweit führend. Regierungen und Forscher dass Sie keine Probebohrungen mehr machen müssten,
aus anderen Ländern rennen uns die Türen ein, weil sie um festzustellen, ob sich unter Ihren Füßen in ein paar
gerne auf wissenschaftlicher Ebene mit uns zusammen- hundert oder tausend Metern Tiefe irgendwelche Boden-
arbeiten wollen, um eigene Rückstände auszugleichen. schätze befinden.
Nicht so weit fortgeschritten ist Europa im Vergleich zu
anderen Nationen in der Umsetzung von Forschungs- Es hat bis Mitte November einen weiteren Call im Rahmen
16NMWP-MagazinSie können auch lesen
