Quantentechnologien - von den Grundlagen zum Markt - Rahmenprogramm der Bundesregierung - BMBF
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Quantentechnologien – von den Grundlagen zum Markt Rahmenprogramm der Bundesregierung
1 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 3 1.1 Quantentechnologien – die nächste Revolution 3 1.2 Wo stehen die Quantentechnologien heute? 6 2 Schwerpunkte der Forschung in Deutschland 9 2.1 Quantencomputer 9 2.2 Quantenkommunikation 10 2.3 Quantenbasierte Messtechnik 11 2.4 Basistechnologien für Quantensysteme 12 3 Die Maßnahmen der Bundesregierung 14 3.1 Die Forschungslandschaft für die Quantentechnologien ausbauen 14 3.2 Forschungsnetzwerke für neue Anwendungen schaffen 15 3.3 Leuchtturmprojekte für industrielle Wettbewerbsfähigkeit etablieren 20 3.4 Sicherheit und technologische Souveränität gewährleisten 22 3.5 Die internationale Zusammenarbeit gestalten 27 3.6 Die Menschen in unserem Land mitnehmen 28 4 Mittelplanung 32 5 Anhang: Trägerorganisationen und Ressortforschung 33 5.1 Deutsche Forschungsgemeinschaft 33 5.2 Max-Planck-Gesellschaft 33 5.3 Fraunhofer-Gesellschaft 34 5.4 Helmholtz-Gemeinschaft 38 5.5 Leibniz-Gemeinschaft 41 5.6 Physikalisch-Technische Bundesanstalt 44 5.7 Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik 47 5.8 Agentur für Innovation in der Cybersicherheit 48 Impressum 49
2
3
1 Einführung
1.1 Quantentechnologien – die
nächste Revolution
Wir erforschen und steuern unsere Welt heute mit
hoch entwickelten digitalen Instrumenten: Kameras,
Computer, Sensoren. Wir arbeiten und leben in star-
kem Maße auf der Basis digitaler Technologien.
Unsere Welt besteht aber tatsächlich nicht aus Nullen
und Einsen, sondern aus Quanten. Das erkannten Max
Planck und Albert Einstein zu Beginn des 20. Jahrhun-
derts. Die Träger physikalischer Wechselwirkungen
sind nicht beliebig teilbar, sondern treten in einer be-
stimmten „Mindestgröße“ auf – als „Quanten“. Unsere
Welt ist also eine Quantenwelt, in der auf der Ebene der
Atome und ihrer Bestandteile die Regeln der Quan-
tenmechanik gelten – eigenartige Regeln, die unserem
Alltagsverständnis in manchen Punkten zu widerspre-
chen scheinen.
Wenn die Welt eine Quantenwelt ist, dann müssten
Quantensysteme uns dabei helfen können, sie besser
zu verstehen und effizienter zu organisieren – das ist
die Idee der Quantentechnologien. Was wäre, wenn wir
unsere Welt künftig auf eine völlig neuartige technolo-
gische Basis stellen können mit bislang unbekannten
Geräten und Verfahren, die nach den Regeln der Quan-
tenmechanik arbeiten? Könnten wir dann Zusammen-
hänge erkennen, die uns bislang verborgen sind? Könn-
ten wir Aufgaben lösen, an denen wir bislang scheitern,
z. B. weil unsere heutigen Computer dafür viel zu viel
Zeit und Energie brauchen? Wie können solche neuen
Technologien uns im Alltag wirklich von Nutzen sein?
4 Quantentechnologien – von den Grundlagen zum Markt
Quantentechnologien
Anwendungen
der zweiten Generation Auf Quantentechnologien basierte Geräte
Quanten- und Verfahren eröffnen vielfältige Einsatz-
• IT-Sicherheit kommunikation gebiete in verschiedensten Branchen.
• Datenschutz
• Verschlüsselte
Quantentechnologien
Quantentechnologien sind Schlüsseltechno-
Übertragung
logien, die uns eine neuartige technologische
Basis zur Verfügung stellen.
Quantensensorik
Quantenprinzipien
und -metrologie Verschränkung Quantentechnologien nutzen einzigartige,
• Medizintechnik
• Navigation in der Quantenwelt vorherrschende
• Erdbeobachtung physikalische Prinzipien.
per Satellit Überlagerung
Quantenwelt
Quantentechnologien basieren auf dem
speziellen Verhalten von Elementarteilchen
Ø 10-15 m in der Quantenwelt.
• KI/Maschinenlernen
• Mustererkennung
• Materialentwicklung Unschärferelation
Quantencomputing
und -simulation
• Automatisierung
• Medizinische
Diagnostik
• Halbleiterfertigung
Quantenbasierte
bildgebende Verfahren
Die Leistungsfähigkeit von Internetverbindungen Unsere Welt ist eine Quantenwelt. Die Träger phy-
hängt z. B. mit der Genauigkeit des Zeittaktes zusam- sikalischer Wechselwirkungen sind nicht beliebig
men, der sie synchronisiert. Die besten Uhren auf der teilbar, sondern treten in einer bestimmten „Min-
Welt gehen heute so genau, dass ihre mittlere Abwei- destgröße“ auf – als „Quanten“. Auf der Ebene der
chung gerade einmal eine Sekunde im Zeitalter des Atome und ihrer Bestandteile gelten die Regeln
Universums beträgt. Mit Quantentechnologien könnte der Quantenmechanik – eigenartige Regeln, die
man solche extrem genauen Uhren so leicht und ro- unserem Alltagsverständnis in manchen Punkten
bust bauen, dass sie nicht nur in einigen wenigen Mess- zu widersprechen scheinen. Sie haben aber große
laboren eingesetzt werden können, sondern auch als Bedeutung für viele Bereiche unseres Lebens.
„Taktgeber“ in Kommunikationsnetzen. Diese würden
damit deutlich leistungsfähiger, und gute Internetan-
bindungen könnten preiswerter werden. Das Gleiche
gilt für Navigationssysteme: Wenn ihr Zeittakt präzise Magnetfelder kann man heute nur mit großen Maschi-
genug wäre, dann könnte man damit etwa Baumaschi- nen sehr genau messen, z. B. mit Magneto-Enzepha-
nen auf der Baustelle steuern. Quantentechnologien lografie-Geräten (MEG) in der Klinik. Diamant-Quan-
könnten also unseren Arbeitsalltag verändern. tensensoren bieten eine Möglichkeit, MEG-Geräte so
Einführung 5
zu verkleinern, dass man sie auch mobil verwenden Die Eigenschaften von Quantensystemen kann
könnte, z. B. für die Steuerung von Geräten, die behin- man für innovative Anwendungen nutzen. In
derten Menschen im Alltag helfen. künstlichen Diamanten lassen sich beispielsweise
sehr gut Quantenzustände für hochempfindliche
Manche Aufgaben kann man heute auch noch gar Messungen von Magnetfeldern herstellen. Pers-
nicht befriedigend lösen. Dazu gehört z. B. die Analyse pektivisch können so präzise Messinstrumente
von Finanzmärkten oder die Optimierung von Fahrt- wie Hirnstrommessgeräte, die aktuell nur in Kli-
routen und Verkehrssystemen. Wissenschaftler1 über- niken verfügbar sind, entwickelt und in verklei-
legen, ob man solche Aufgaben durch Simulationen in nerter Form für den persönlichen Bereich nutzbar
speziellen Quantensystemen lösen könnte. Das würde gemacht werden.
dabei helfen, Finanzkrisen besser vorherzusehen oder
den Verkehr effizienter zu steuern. Vielleicht gelingt
es auch, Quantencomputer zu entwickeln, auf denen
man spezielle Quantensoftware laufen lassen kann.
Klassische Computer können aufgrund ihrer Bindung
an digitale Rechenprogramme bestimmte Berechnun-
gen grundsätzlich nicht oder nicht in endlicher Zeit
und ohne großen Energieverbrauch durchführen. Ein
Beispiel ist die Zerlegung (Faktorisierung) von großen
Zahlen in Primzahlen, die eine zentrale Rolle bei der
Datenverschlüsselung spielt. Ein anderes Beispiel ist
die Suche in sehr großen Datenmengen.
1 Aus Gründen der besseren Lesbarkeit wird an einigen Stellen auf die
gleichzeitige Verwendung männlicher und weiblicher Sprachformen
verzichtet. Sämtliche Personenbezeichnungen gelten gleichermaßen
für beiderlei Geschlecht.
6 Quantentechnologien – von den Grundlagen zum Markt
1.2 Wo stehen die Quantentechno- • Institute und Unternehmen in den USA treiben
logien heute? derzeit mit erheblichen Mitteln die Entwicklung
von Quantencomputern voran. Dabei sind die
Aktivitäten dort von wirtschaftlichen Zielen, aber
Schon heute nutzt fast jeder täglich Quantentechno-
auch stark von militärstrategischen Gesichtspunk-
logien: Computer, Datennetze oder auch ein Großteil
ten geprägt.
der medizinischen Bildgebung – all diese technologi-
• Japan, Singapur und Kanada haben seit einigen Jah-
schen Errungenschaften wären ohne Quanteneffekte
ren eigene Programme sowohl für die Erforschung
nicht denkbar, denn Bauteile wie Transistoren, Dioden
als auch für Weltraumanwendungen der Quanten-
und Laser nutzen Prinzipien der Quantenphysik.
technologien aufgelegt.
Deutschland ist bei diesen „Quantentechnologien der
• Die Regierung des Vereinigten Königreiches fördert
ersten Generation“ wissenschaftlich und wirtschaftlich
in ihrem nationalen Programm, dem „UK National
höchst erfolgreich.
Quantum Technologies Programme“2, Forschung,
akademische Ausbildung und industrielle Innovati-
Ein hervorragendes Beispiel dafür ist der Laser. Aus ei-
on in den Quantentechnologien.
nem ursprünglich rein wissenschaftlichen Phänomen
• Unter Bezugnahme auf das „Quantum Manifesto“3
haben Institute und Unternehmen ein Gerät entwi-
europäischer Wissenschaftler kündigte die Europä-
ckelt, das heute in der Forschung, bei der Produktion
ische Kommission 2016 an, ein Flaggschiffprojekt
von Maschinen und Fahrzeugen, beim 3D-Druck, in
(„FET Flagship“) zu den Quantentechnologien mit
der Messtechnik, in der Kommunikation und in vielen
den vier Säulen Quantenkommunikation, -sensorik,
Alltagsgeräten verwendet wird. Besonders leistungs-
-computer und -simulationsrechner einzurichten.
fähige Laserquellen und -maschinen werden häufig in
Sie setzte eine Fachkommission (High Level Stee-
Deutschland hergestellt.
ring Committee) unter deutscher Leitung ein, die
dazu konkrete Vorschläge entwickeln sollte. Diese
Wenn es jetzt darum geht, Quanteneffekte nicht mehr
Kommission legte Ende 2017 ihren öffentlichen
nur indirekt zu nutzen, sondern sie gezielt zu kon-
Abschlussbericht vor.4
trollieren, dann ist es das Ziel der Bundesregierung,
dass deutsche Institute und Unternehmen auch diese
Entwicklung gestalten und führend umsetzen. Solche
„Quantentechnologien der zweiten Generation“ kön-
nen z. B. sehr viel genauere Messgeräte ermöglichen,
die Sicherheit bei der Datenkommunikation stark
verbessern oder deutlich leistungsfähigere Satelliten
und Computer hervorbringen. Die Möglichkeiten
dieser Technologien sind so groß, dass sie erhebliche
Auswirkungen auf die Wirtschaft und Gesellschaft
haben können und auch sicherheitspolitisch von hoher
Relevanz sind. Der Wettlauf um die industrielle Reali-
sierung solcher Technologien hat international bereits
begonnen. Aktivitäten dazu gibt es in allen führenden
Ländern. Einige Beispiele:
• Quantentechnologien stehen in China im Fokus
des politischen Interesses und genießen daher
starke politische Unterstützung und umfangreiche
finanzielle Förderung. Der Start des weltweit ersten
Satelliten zur Quantenschlüsselverteilung (QKD 2 http://uknqt.epsrc.ac.uk/
– Quantum Key Distribution) 2016 ist ein vielbeach- 3 Quantum Manifesto: A New Era of Technology, Mai 2016;
http://www.qutega.de/links/
tetes Beispiel. 4 Quantum Technologies Flagship Final Report; http://ec.europa.
eu/transparency/regexpert/index.cfm?do=groupDetail.
groupDetailDoc&id=34809&no=1
Einführung 7
Die Möglichkeiten der Quantentechnologien sind sowie die Ressortforschungseinrichtungen in Deutsch-
so groß, dass sie erhebliche Auswirkungen auf land. In der physikalischen Grundlagenforschung
die Wirtschaft und Gesellschaft haben können wie auch im Vorfeld der technischen Nutzung von
und auch sicherheitspolitisch von hoher Rele- quantenphysikalischen Effekten und Systemen sind
vanz sind. Ein Beispiel hierfür zeigt das Bild: eine die Trägerorganisationen der Forschung – Deutsche
Einzelphotonenquelle für inhärent sichere Da- Forschungsgemeinschaft, Max-Planck-Gesellschaft,
tenübertragung. Der Wettlauf um die industrielle Helmholtz-Gemeinschaft, Fraunhofer-Gesellschaft
Realisierung solcher Technologien hat internatio- und Leibniz-Gemeinschaft – seit vielen Jahren erfolg-
nal bereits begonnen. reich tätig. Dies gilt sowohl im nationalen Bereich wie
in der weltweiten wissenschaftlichen Zusammenarbeit.
Die Einrichtungen der Ressortforschung unterstüt-
zen die Forschung insbesondere dort, wo öffentliche
Deutschland und die EU besitzen für die Entwicklung Aufgaben berührt sind. Die für die Quantentechno-
von Quantentechnologien eine gute Ausgangsbasis. logien relevanten Tätigkeitsbereiche der deutschen
Europa ist weltweit führend in der Quantenphysik Trägerorganisationen von Wissenschaft und Forschung
– mit rund 50 % aller wissenschaftlichen Publikati- sowie die Beiträge der Ressortforschungseinrichtun-
onen und fast 40 % der Forscher in diesem Bereich.5 gen stellt dieses Programm im Anhang ausführlich
Deutschland selbst verfügt über eine starke Expertise vor. Auch bei weiteren wichtigen Technologien zur
in der Quantenphysik und damit über gute Voraus- Realisierung quantentechnologischer Anwendungen
setzungen, um auch die Entwicklung von Quanten- wie Mikroelektronik, Nanotechnologie und Supralei-
technologien der zweiten Generation frühzeitig in tung sind Forschung und Industrie in Deutschland gut
Anwendungen nutzbar zu machen und ihre Entwick- aufgestellt. Die exzellente deutsche Forschungs- und
lung international mitzugestalten. Dies ist auch das Technologieinfrastruktur und deren enge Vernetzung
Resultat der gemeinsamen Forschungs- und Wissen- mit großen, mittelgroßen und kleinen Unternehmen
schaftspolitik in Bund und Ländern, getragen durch ist ein starker Wettbewerbsvorteil.
die Förder- und Trägerorganisationen der Forschung
Die Bundesregierung wird den Übergang von einer
weitgehend wissenschaftlich getriebenen Erforschung
5 Nach einer von der Europäischen Kommission in Auftrag gegebenen der Quantenphysik hin zu Anwendungen neuer
Studie stammten 2.455 Autoren quantenphysikalischer Veröffent- Quantentechnologien politisch begleiten und gestal-
lichungen im Zeitraum 2013 bis 2015 aus der EU, während es aus
China 1.913 und aus Nordamerika 1.564 Autoren waren. Quantum
ten. Ziele der Bundesregierung mit dem vorliegenden
Technologies Flagship Final Report, S.3; Quelle: s. Fußnote 4 Regierungsprogramm sind:
8 Quantentechnologien – von den Grundlagen zum Markt
• die starke Position Deutschlands in der Forschung Deutschland ist bei den Quantentechnologien gut
auf dem Gebiet der Quantenphysik auszubauen und aufgestellt. Die Forschungscommunity verfügt
den Weg zu quantentechnologischen Anwendun- insbesondere im Bereich der Quantenphysik über
gen zu öffnen, eine starke Expertise. Auch bei den wichtigen
• die richtigen Rahmenbedingungen zu schaffen, um Basistechnologien zur Realisierung quantentech-
neue wirtschaftliche Chancen und Märkte vorzube- nologischer Anwendungen wie Mikroelektronik,
reiten, Nanotechnologie und Supraleitung bestehen
• das Fundament für eine industrielle Führungsrolle Forschung und Industrie in Deutschland im inter-
in den Quantentechnologien zu schaffen, nationalen Wettbewerb.
• zusammen mit unseren internationalen Partnern
die Sicherheit und Autonomie Deutschlands und
Europas auf diesem wichtigen Zukunftsfeld sicher-
zustellen und was das für sie bedeutet – für ihre Ausbildung, für ihre
• die Menschen in Deutschland zu informieren und Arbeit, für ihre Ziele.
auf dem Weg zu einer neuen Schlüsseltechnologie
mitzunehmen. Insgesamt stellt die Bundesregierung in dieser Legis-
laturperiode 650 Mio. Euro für die Erforschung der
Das Programm der Bundesregierung beschreibt den Quantentechnologien bereit. Die Bundesregierung
Ausgangsstand und benennt Ziele und konkrete wird die Entwicklung in den Quantentechnologien
Maßnahmen bis 2022. Dazu gehören die Stärkung der kontinuierlich verfolgen, ihre Maßnahmen überprüfen
deutschen Forschungsinstitute, die bessere Vernetzung und entsprechend weiterentwickeln.
mit Unternehmen und die Entwicklung neuer Techno-
logien für Regierungsaufgaben, aber auch die Informa-
tion und Beteiligung der Bürgerinnen und Bürger bei
Fragen der Quantentechnologien. Die Bundesregie-
rung wird dafür sorgen, dass mehr Menschen verste-
hen können, was mit Quantentechnologien möglich
ist. Und dass sie diskutieren und entscheiden können,
Schwerpunkte der Forschung in Deutschland 9
2 Schwerpunkte der Forschung in Deutschland
Zur Vorbereitung des vorliegenden Programms hat die sind die schnelle Suche in riesigen Datenmengen
Bundesregierung einen umfangreichen Agendaprozess oder die Optimierung großer logistischer Systeme wie
mit Wissenschaft und Wirtschaft durchgeführt, in dem Verkehrsnetze oder Stundenpläne. Wenn es gelingt,
der Forschungsstand dokumentiert, Aufgaben in For- die Verschränkungszustände in Quantencomputern
schung und Entwicklung (F&E) identifiziert und mög- so einzustellen, dass sie diesen Aufgaben entsprechen,
liche Entwicklungen abgeschätzt wurden. Als Ergebnis dann könnten sie solche Aufgaben viel schneller lösen
entstanden Expertenpapiere aus der Wissenschaft6 wie als herkömmliche Digitalcomputer. Neben universell
auch aus der Industrie7. Folgende Entwicklungsbereiche programmierbaren Computern werden auch Quanten-
für die Quantentechnologien wurden dabei identifiziert. simulatoren für praxisrelevante Quantenphänomene,
beispielsweise in der Chemie oder der Pharmazie, mög-
lich. Sie sind zwar weniger flexibel einsetzbar und nur
2.1 Quantencomputer für bestimmte Problemklassen geeignet, dafür könnten
sie aber wesentlich früher einen Nutzen für konkrete
Quantencomputer funktionieren prinzipiell anders Anwendungen liefern.
als herkömmliche digitale Rechner. Im Unterschied
zu den Bits von Digitalrechnern sind ihre kleinsten Die Realisierung von Quantenrechnern und -simula-
Recheneinheiten, die „Quantum Bits“ (Qubits), in der toren ist mit außerordentlichen Herausforderungen
Lage, sich untereinander nach speziellen Gesetzmäßig- verbunden. So ist die quantenphysikalische Verschrän-
keiten der Quantenmechanik zu verbinden und damit kung von Qubits z. B. ein Phänomen, das äußerst emp-
einen wesentlich komplexeren Gesamtzustand anzu- findlich auf Umgebungseinflüsse reagiert und daher
nehmen. Man spricht dann von „Verschränkung“. Diese meist schon nach kurzer Zeit wieder verschwindet. Um
Verschränkung der Qubits eines Quantencomputers zu
einem Gesamtzustand ist eine einzigartige Eigenschaft
von Quantencomputern. Viele Aufgaben, die sich mit
herkömmlichen Digitalrechnern nicht befriedigend lö- Der Quantencomputer kann als die weitrei-
sen lassen, sind dadurch gekennzeichnet, dass zahlrei- chendste Innovation der quantentechnologischen
che Bedingungen in einem komplexen wechselseitigen Anwendungen angesehen werden. Aufgrund des
Zusammenspiel berechnet werden müssen. Beispiele spezifischen Funktionsprinzips haben Quanten-
computer das Potenzial, Aufgaben zu lösen, für die
klassische Computer zu ineffizient arbeiten. Um
6 Konzeptpapier der Nationalen Initiative zur Förderung der Quanten-
technologien von Grundlagen bis Anwendungen (QUTEGA); die sogenannten Quantenbits herzustellen, gibt es
http://www.qutega.de/en/home/ verschiedene Möglichkeiten, unter anderem die
7 Förderung von Quantentechnologien – Positionspapier der Deut-
schen Industrie; http://www.photonikforschung.de/media/quanten-
im Bild dargestellte Lösung von einzelnen Atomen
technologien/pdf/Quantentechnologie_bf.pdf in Teilchenfallen.10 Quantentechnologien – von den Grundlagen zum Markt
das oftmals als Anwendung genannte Brechen heu- bestimmte Eigenschaften der beiden Photonen misst,
tiger Public-Key-Kryptografieverfahren durchführen lässt sich mit Sicherheit feststellen, ob eines der beiden
zu können, wären Quantencomputer mit mindestens Photonen bereits einmal gemessen wurde. Wenn ja,
vielen Tausend Qubits erforderlich. Zunächst stehen dann bedeutet das: Die Verbindung wurde abgehört.
deshalb vor allem solche Anwendungen im Blickpunkt, Der Grund: Unbekannte Quantenzustände lassen sich
die sich schon mit wenigen Hundert Qubits bearbeiten nicht kopieren oder störungsfrei vermessen. Störun-
lassen. gen der Quantenzustände werden unweigerlich als
Fehler in der Übertragung festgestellt und decken den
Auf dem Weg zu Quantenrechnern ist die Entwicklung Lauschangriff auf.
spezieller Algorithmen mindestens ebenso wichtig
wie die Hardwareentwicklung. Für die Erforschung Diese Technik wird in der Kommunikationspraxis für
von Quantenalgorithmen ist es dabei nicht zwingend den Austausch von Verschlüsselungen genutzt. Bei der
erforderlich, dass bereits Quantencomputer existieren, Quantenkryptografie oder Quantenschlüsselverteilung
da man diese bis zu einem gewissen Grad (und einer (QKD – Quantum Key Distribution) erzeugt man den
bestimmten Größe) auch mit herkömmlichen Digi- Schlüssel zu einer geheimen Information auf Basis
talrechnern simulieren kann. Entsprechende Arbeiten von einzelnen Quantenzuständen. Im Unterschied zu
sind auch deshalb wichtig, weil derzeit noch sehr gebräuchlichen kryptografischen Verfahren beruht die
unterschiedliche Hardwareplattformen und Architek- Sicherheit hier auf einem physikalischen Naturgesetz
turen für Quantencomputer diskutiert werden und
deren Vor- und Nachteile mit Quantenalgorithmen
auf klassischen Rechnern überprüft und verglichen
werden müssen. Die Quantenkommunikation beschäftigt sich mit
dem Austausch von Quantenzuständen über sehr
kurze Distanzen innerhalb eines einzelnen Chips,
2.2 Quantenkommunikation wie beispielhaft in der Abbildung dargestellt, bis
hin zu großen Kommunikationsstrecken über
Die Quantenkommunikation nutzt verschränkte Hunderte von Kilometern. Im Unterschied zu
Quantenzustände zum Schlüsselaustausch in der klassischen kryptografischen Verfahren beruht
Datenübertragung. Verschränkte Quantenobjekte, z. B. die Sicherheit der Datenübertragung auf einem
Photonen, werden an zwei weit voneinander entfern- physikalischen Naturgesetz und nicht auf einem
te Orte gesendet. Wenn man dann an beiden Orten mathematischen Prinzip.Schwerpunkte der Forschung in Deutschland 11
und nicht auf mathematischen Annahmen. Damit wer- neben der Quantenkommunikation auch schon erste
den erstmals Kommunikationsverbindungen möglich, Lösungsansätze zu einer „Postquantenkryptografie“.10
deren Sicherheit physikalisch basiert – und nicht ledig-
lich mathematisch berechnet – ist. Die Quantenzustän-
de sind allerdings sehr fragil, sodass eine Übertragung 2.3 Quantenbasierte Messtechnik
beträchtliche technische Herausforderungen mit sich
bringt. Während die Fragilität von Quantenzuständen und
-systemen die Entwicklung praxistauglicher Quan-
QKD-Geräte sind schon seit längerer Zeit kommerziell tencomputer und Quantenkommunikationstechnik
für spezifische Nischenmärkte verfügbar. Typische sehr erschwert, eröffnet sie in der Messtechnik enorme
Kunden sind aktuell Banken oder Regierungen. Die Möglichkeiten. Denn Fragilität gegenüber Umweltein-
große Mehrheit der Ansätze zum Quantenschlüs- flüssen ist nichts anderes als hohe technische Mess-
selaustausch beruht dabei auf dem Austausch von empfindlichkeit. Mit gekonnt konstruierten Quanten-
Photonen mittels Glasfasern. Anwendungen lassen sich systemen lassen sich daher physikalische Größen wie
jedoch bei dem heutigen Stand der Technik lediglich Druck, Temperatur, Position, Zeit, Geschwindigkeit,
als Punkt-zu-Punkt-Verbindungen über Distanzen von Beschleunigung, elektrische und magnetische Felder
weniger als 100 Kilometer realisieren. In der Freiraum- oder die Gravitation extrem präzise messen.
Laserkommunikation wurden bereits entscheidende
Fortschritte bei der Überwindung atmosphärischer Atomuhren auf der Basis atomarer Quantenzustände
Störeinflüsse in Tests unter Realbedingungen er- dienen bereits seit Jahrzehnten als Zeitreferenz für
reicht.8 Laserbasierte Kommunikationstechnologien Präzisionsmessungen, wie beispielsweise im Rahmen
mit Quantenkryptografie wurden bereits 2015 unter des europäischen Galileo-Navigationssystems oder des
atmosphärischen Bedingungen erfolgreich mit einem Global Positioning Systems (GPS) zur Navigation. Mit
fliegenden Objekt getestet.9 Für deutlich größere Quanten-Gravimetern auf Basis der Interferometrie
Distanzen und für konkrete Anwendungen sind noch kalter Atome kann man selbst kleinste Variationen im
technologische Fragen offen, weil die schwachen Schwerefeld der Erde feststellen, wie sie durch unter-
Lichtsignale der Quantenkommunikation nicht mit schiedliche Materialzusammensetzungen der Erdkrus-
normalen Verstärkern bearbeitet werden können. te verursacht werden. Solche ultrapräzisen Gravimeter
Die Einbindung raumfahrtbasierter Quantenschlüs- ließen sich daher u. a. zum Auffinden von Bodenschät-
selverteilung könnte sich jedoch für die Realisierung zen einsetzen. Neue Quantensensoren, die ihren Quan-
interkontinentaler Verbindungen als nützlich erweisen. tenzustand auch bei Raumtemperatur einnehmen und
erhalten, können den Weg für eine Miniaturisierung
Sobald ein Quantencomputer existieren würde, hätte und eine deutliche Kostenreduzierung frei machen.
dies massive Auswirkungen auch auf die Datensicher-
heit. Das gilt nicht nur für (dann) aktuelle Kommuni- Ein weiterer Einsatzbereich von Quantenphänome-
kationsbeziehungen, sondern auch für vor dieser Zeit nen findet sich bei der optischen Abbildung (quantum
aufgezeichnete Kommunikationen, die nachträglich enhanced imaging). So lassen sich mit quantenme-
entschlüsselt werden könnten. Wenn man bedenkt, chanischen Verfahren beispielsweise höhere optische
dass kryptografische Sicherungen häufig – wie z. B. auf Auflösungen erzielen als mit klassischen Verfahren.
Satelliten – für eine längere Lebenszeit ausgelegt sind, Dasselbe Prinzip lässt sich auch in der Quantenlitho-
wird klar, dass bereits heute auch Verschlüsselungsver- grafie zur Erzeugung kleinerer Strukturen anwenden.
fahren entwickelt werden müssen, die gegen Angriffe
mit Quantencomputern sicher sind. Dafür gibt es Das wirtschaftliche Potenzial der quantenbasierten
Messtechnik findet sich nach aktueller Einschätzung in
8 https://www.dlr.de/dlr/desktopdefault.aspx/tabid-10081/151_read- 10 Im Zuge des Forschungsrahmenprogramms für IT-Sicherheit
19914/#/gallery/24870 „Selbstbestimmt und sicher in der digitalen Welt“ adressiert das
9 https://www.dlr.de/dlr/desktopdefault.aspx/tabid-10122/333_read- BMBF den Forschungsbereich Postquantenkryptografie;
15527/year-2015/#/gallery/20972 https://www.bmbf.de/de/sicher-in-der-digitalen-welt-849.html12 Quantentechnologien – von den Grundlagen zum Markt
der Verteidigungstechnik, der industriellen Präzisions- Mit gekonnt konstruierten Quantensystemen las-
messtechnik, der medizinischen Diagnostik, der Erdbe- sen sich physikalische Größen wie Druck, Tempe-
obachtung, der Geologie bzw. Lagerstättenerkundung ratur, Position, Zeit, Geschwindigkeit, Beschleuni-
und in der Navigation (insbesondere bei der Satelliten- gung, elektrische und magnetische Felder oder die
navigation für Luft-, See-, Schienen- und Straßenver- Gravitation mit einer nie da gewesenen Präzision
kehr im Zusammenhang mit z. B. dem automatisierten messen. Dabei wird die besondere Empfindlichkeit
Fahren sowie mit GPS-/Galileo-basierten Apps). der quantenmechanischen Zustände gezielt aus-
genutzt. Die im Bild dargestellte Sonde dient zur
Langfristig kann man erwarten, dass mit einer höheren Magnetfeldmessung mit einem Diamantsensor.
Integration und Miniaturisierung quantenbasierter
Messtechnik auch eine große Zahl von anspruchsvol-
len Anwendungen für andere professionelle Bereiche
und für Konsumenten erschlossen werden kann. Aktuell werden in Deutschland Investitionen in einem
Umfang von ca. 100 bis 150 Mio. Euro im Jahr für
Laborausstattung im Bereich der Quantentechnologien
2.4 Basistechnologien für Quanten- getätigt.11 In den letzten Jahren entstand in Deutsch-
systeme land überwiegend aus der universitären Grundlagen-
forschung bereits eine Anzahl kleiner und mittlerer
Nicht erst voll überzeugende Quantencomputer und Unternehmen, die in diesem speziellen, meist auf hoch
quantentechnische Kommunikations- und Messtech- spezialisierte Kleinserien ausgerichteten internationa-
nik haben ein großes technisches und wirtschaftliches
Potenzial. Auch der Weg dahin ist mit Investitionen in
entsprechende Forschungslabors und Forschungspro- 11 Förderung von Quantentechnologien – Positionspapier der Deut-
jekte bereits ein interessanter Hochtechnologiemarkt. schen Industrie, S. 5, 7, 17; Quelle: s. Fußnote 7Schwerpunkte der Forschung in Deutschland 13
Ein wesentlicher Schritt zur tatsächlichen Nut- Geräten kommt dabei eine wichtige Bedeutung zu.
zung der Quantentechnologien ist der Übergang Erste Schritte auf diesem Weg stehen jetzt an. Dazu ist
von Laboraufbauten hin zu robusten und zuver- ein industrielles Engineering der technischen Systeme
lässigen Geräten. So ersetzt das im Bild gezeigte – kleiner, effizienter und kompakter und damit auch
Lasermodul viele einzelne optische Komponen- robuster und betriebssicherer – notwendig. Der Bereich
ten. Das industrielle Engineering der technischen dieser sogenannten „Enabling Technologies“ stellt da-
Systeme – kleiner, effizienter und kompakter und mit das technologische Rückgrat bei der Erforschung
damit auch robuster und betriebssicherer – liefert und Entwicklung der einzelnen Quantentechnologien
erst die Voraussetzungen, die Komplexität einer dar. Es ist – wie in anderen neu entstehenden Tech-
Quantenmesstechnik oder eines Quantencompu- nologiemärkten zuvor – auch damit zu rechnen, dass
ters zu beherrschen. Standards und Normen für die Quantentechnologien
vielfach zuerst in diesem Bereich entstehen werden.
Die vorstehende Beschreibung der aktuellen Entwick-
len Markt erfolgreich tätig sind. Mit dem vorliegenden lungen in verschiedenen Bereichen der Quantentech-
Programm und dem starken Anwachsen der internati- nologien macht deutlich: Durchbrüche in den Quan-
onalen Forschungsaufwendungen im Bereich Quan- tentechnologien haben eine mögliche Bedeutung für
tentechnologien sowie dem absehbaren Einsatz von viele Bereiche unseres Lebens, ähnlich wie dies etwa
Quantentechnologien in Satelliten ist ein deutliches bei der Satellitentechnik in den späten 1960er-Jahren
Anwachsen der Nachfrage nach geeigneter Geräte- und oder bei der Digitalisierung in den 1990er-Jahren der
Anlagentechnik zu erwarten. Fall war. Die Förderung der Quantentechnologien hat
deshalb forschungs-, wirtschafts- und sicherheitspoli-
Dem Übergang von Laboraufbauten hin zu robusten, tische Bedeutung.
zuverlässigen und kostengünstig herzustellenden14 Quantentechnologien – von den Grundlagen zum Markt
3 Die Maßnahmen der Bundesregierung
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
(BMWi), das Bundesministerium des Innern, für Bau und Heimat (BMI) sowie das Bundesministerium der Verteidigung
(BMVg) tragen im Rahmen ihrer jeweiligen Aufgaben zur Entwicklung der Quantentechnologien in Deutschland bei.
Die Bundesregierung bündelt diese Beiträge in dem vorliegenden Programm zu einer ganzheitlichen Strategie. Durch
regelmäßige Ressortrunden werden die einzelnen Maßnahmen koordiniert und die Strategie weiterentwickelt. Zu-
gleich wird eine Verzahnung mit der Transferinitiative des BMWi angestrebt, die den Technologietransfer mit etablier-
ten und neuen Instrumenten unterstützen soll.
3.1 Die Forschungslandschaft für In Deutschland sind daher größere, international und
die Quantentechnologien aus- stärker auf Anwendungen ausgerichtete Forschungska-
pazitäten notwendig. Der Rechtsrahmen des Grundge-
bauen setzes mit den Grundsätzen der Wissenschaftsfreiheit
In der Grundlagenforschung der Quantenphysik sowie der föderalen Ordnung gibt dabei vor, dass die
besitzt Deutschland eine exzellente Ausgangsposition. notwendigen Entscheidungen im Wettbewerb und auf
Die breite Forschung auf diesem Gebiet – bestehend der Grundlage fachlicher Kriterien erfolgen.
aus föderal strukturierter Hochschullandschaft, auße-
runiversitären Forschungseinrichtungen, Ressortfor- Die Bundesregierung wird die relevanten Trägerorga-
schung und am Markt ausgerichteter Forschung der nisationen der Forschung beauftragen, ihrerseits Vor-
Unternehmen – bildet für die Quantentechnologien schläge zu einer Neuausrichtung im Hinblick auf eine
eine gute Ausgangsbasis. Die Forschungseinrichtungen stärker anwendungsbezogene quantentechnologische
und Trägerorganisationen stellen im Anhang dieses Forschung zu entwickeln. Ziel ist es, in der öffentlich
Programms den aktuellen Stand ihrer Forschungsar- grundfinanzierten Forschung verstärkt Themen der
beiten und -strategien für die Quantentechnologien im Quantenphysik mit hoher Anwendungsrelevanz in
Einzelnen dar. F&E-Verbundprojekten zu fördern. Die Voraussetzung
dafür sind überdurchschnittliche Perspektiven für eine
Für die Weiterentwicklung der Quantentechnologien technische Verwendung, ganz besonders dann, wenn
und die dafür erforderlichen strukturellen Vorausset- der Schritt von der Forschung in die Anwendung erst-
zungen haben Experten aus Wissenschaft und Wirt- malig vollzogen wird. Dies muss über die prinzipielle
schaft Handlungsbedarf identifiziert: Demonstration der technischen Machbarkeit deut-
lich hinausgehen. In Forschungsprojekten sind dazu
„An vielen verschiedenen Orten in ganz Deutsch- konkrete Anwendungen sowie Anwender bereits früh
land wird Forschung zu Quantentechnologien einzubeziehen, etwa in F&E-Verbundprojekte zwischen
auf international sichtbarem Niveau betrieben. Wissenschaft und Wirtschaft oder öffentlichen Anwen-
Diese geografische Diversität ist durchaus als dern. Auch müssen im Hinblick auf mögliche kommer-
Stärke der deutschen Forschungslandschaft zielle oder industrielle Verwertungen die rechtlichen
zu betrachten. […] Gleichzeitig besteht jedoch Voraussetzungen (Patentrechte o. Ä.) gewährleistet
teilweise ein deutliches Defizit in der Koordi- werden. Die bislang diskutierten Forschungsthemen
nierung: Oftmals werden Synergieeffekte nicht der neuen Quantentechnologien13 sind dabei nicht
ausreichend genutzt. Mithilfe einer Verbesserung als abschließende Themenliste zu verstehen, sondern
der Strukturen sollte eine engere Vernetzung und werden kontinuierlich ergänzt.
eine Bündelung von Kompetenzen angestrebt
werden.“12 Erfolge in der Forschung und in der Einwerbung von
Drittmitteln sowie wettbewerbliche Kriterien wie
Nachwuchsgewinnung, internationale Kooperationen,
Unternehmenskooperationen und Ausgründungen
12 Konzeptpapier der Nationalen Initiative zur Förderung der Quan-
tentechnologie von Grundlagen bis Anwendungen (QUTEGA), S. 35;
Quelle: s. Fußnote 6 13 s. Abschnitt 2 dieses Programms��������������������������������� 15
Die Forschungslandschaft in Deutschland ist in der schung bis hin zu ingenieurwissenschaftlichen Fragen
quantentechnologischen Grundlagenforschung vorantreiben. Die Bundesregierung will daran mitwir-
heute international stark sichtbar. Jetzt gilt es, den ken, dass in der Forschung zu Quantentechnologien
Fokus auf die Anwendung und Vermarktung zu wissenschaftliche Ansätze verstärkt mit unternehme-
legen. Dies betrifft insbesondere die Vernetzung rischen Strategien hinterlegt werden. Die Bundesregie-
zwischen grundlegender akademischer und indus- rung wird dazu folgende Maßnahmen durchführen:
trieller Forschung, damit umsetzungsreife Resul-
tate nicht in einem Stadium wie dem gezeigten Forschungsportal zu Quantentechnologien
Laboraufbau stehen bleiben. Die Forschungscom- Immer mehr Unternehmen verschiedener Branchen
munity muss sich strukturell weiterentwickeln, beginnen, sich mit dem Thema Quantentechnologien
dabei aber für unerwartete wissenschaftliche zu befassen, gezielt Informationen zu sammeln und
Entwicklungen offen bleiben. diese im Hinblick auf eigene Strategien und Chancen
auszuwerten. Darüber hinaus beschäftigt sich die Wirt-
schaft teilweise bereits heute mit quantentechnologi-
schen Anwendungen. Auf der anderen Seite besteht in
werden für die in den kommenden Jahren notwendi- der deutschen Wissenschaft die Kompetenz, auf Basis
gen Strukturentscheidungen bei den Trägerorganisati- des internationalen Forschungsstandes unterschiedli-
onen und Instituten ein entscheidender Maßstab sein. che Ansätze, Produkte und Verfahren in den Quanten-
Unbeschadet dieser Strukturentwicklung im Wettbe- technologien systematisch zu prüfen, zu vergleichen
werb werden die Einrichtungen der Ressortforschung und daraus neutrale Beratungsdienstleistungen für
auch künftig ihre besonderen Aufgaben der Forschung interessierte Unternehmen abzuleiten. Diese Kompe-
für Ressortaufgaben wahrnehmen. tenz muss jedoch erschlossen und für die Wirtschaft
sichtbar und zugänglich gemacht werden. Dabei geht es
zum einen um die wissenschaftliche Expertise, zum an-
3.2 Forschungsnetzwerke für neue deren um die Entwicklung von spezifischem Wissen zu
Anwendungen schaffen bestimmten Anwendungsfragen einzelner Branchen.
Quantentechnologien sind einerseits ein sehr wissen- Hierzu wird die Bundesregierung eine Übersicht
schaftsnahes Forschungsgebiet. Gleichwohl kann es („Who‘s who“) der deutschen Wissenschaft zu den
direkte Übergänge von der Grundlagenforschung in Quantentechnologien erstellen lassen und als Online-
industrielle Anwendungen geben, etwa im Bereich der Portal für die Kontaktsuche und einen Erstkontakt zur
hochgenauen Bestimmung von Ort und Zeit. Aufgrund Verfügung stellen. Konkrete Beratungsdienstleistungen
der hohen industriellen Relevanz wird die Bundesre- sind zwischen den so gefundenen Partnern separat zu
gierung daher auch die anwendungsorientierte For- vereinbaren.16 Quantentechnologien – von den Grundlagen zum Markt
Unternehmensgeführte F&E-Verbundprojekte in dungsszenario mit Unternehmensbeteiligung in den
bereits absehbaren Anwendungsfeldern Förderaufruf15 integriert werden. Ziel ist die Entwick-
Die Bereiche Metrologie und Kommunikation sowie lung von Systemen, die künftig einen abhörsicheren
bestimmte Schlüsseltechnologien als Basis für quan- Austausch von Informationen in Glasfasern über große
tentechnologische Anwendungen sind in Deutschland Distanzen ermöglichen. Im 2018 gestarteten Projekt
bereits heute besonders gut vertreten. Diese Bereiche „Quanten-Link-Erweiterung“ (Q.Link.X)16 sollen dazu
wird die Bundesregierung weiter vorantreiben, hier erstmalig quantenphysikalische Signalprozessoren, so-
sind erste Anwendungen relativ kurzfristig möglich. genannte Quantenrepeater, entwickelt werden, welche
die Übertragung von Quantensignalen über mehr als
Im Bereich der Quantenkommunikation unterstützt das 100 Kilometer in herkömmlichen Glasfasern ermögli-
BMBF seit 2011 umfangreiche F&E-Verbundvorhaben.14 chen sollen.
Insgesamt hat das BMBF hier Verbundprojekte mit
mehr als 70 Teilvorhaben bewilligt. Im Jahr 2017 konnte Mit drei Pilotprojekten und drei weiteren Förderaufru-
auf diesem Gebiet erstmalig ein absehbares Anwen- fen hat das BMBF im Jahr 2017 die neue Förderphase
mit Verbundprojekten zwischen Wissenschaft und
Wirtschaft in den Bereichen Quantenmetrologie und
14 U. a. das Verbundprojekt Q.com: https://www.forschung-it-sicher-
heit-kommunikationssysteme.de/projekte/q.com
-kommunikation sowie Schlüsseltechnologien begon-
nen:
• Pilotprojekt „BrainQSens“17: In diesem Verbund mit
Industriebeteiligung fördert das BMBF seit 2017 die
Die Chancen der Quantentechnologien für die Entwicklung des Demonstrators eines Quantensen-
deutsche Wirtschaft müssen effektiv und schnell sors auf Diamantbasis. Dieser Sensor wird neuro-
genutzt werden. Deshalb werden in enger Zu- nale Magnetfelder präzise messen können – in der
sammenarbeit mit Wissenschaft und Wirtschaft Funktion einem MEG ähnlich, jedoch viel kompak-
passende Maßnahmen initiiert, um die Barrieren ter und genauer.
in den spezifischen Sichtweisen zu überwinden.
Ein Beispiel ist das Pilotprojekt „BrainQSens“: Ver-
einfachte hochempfindliche Magnetsensoren er-
15 https://www.forschung-it-sicherheit-kommunikationssysteme.de/
lauben eine verbesserte medizinische Diagnostik foerderung/bekanntmachungen/quantenkommunikation
in der Hirnforschung und langfristig auch neue, 16 https://www.forschung-it-sicherheit-kommunikationssysteme.de/
projekte/q-link.x
einfache Formen der Steuerung von Prothesen 17 https://www.photonikforschung.de/projekte/quantentechnologien/
und sogar technischer Geräte im Alltag. projekt/brainqsens.html��������������������������������� 17
• Pilotprojekt „opticlock“18: Im Rahmen des Pilot- Weitere Förderaufrufe sind in Vorbereitung. Die
projekts „Optische Einzelionen-Uhr für Anwender“ Förderung von Verbundprojekten stimuliert neben
wird seit 2017 an der Physikalisch-Technischen der inhaltlichen Entwicklung der Forschungsgebiete
Bundesanstalt und unter Beteiligung von Industrie- insbesondere den Aufbau von Netzwerken zwischen
unternehmen der Demonstrator einer kompakten Wissenschaft und Wirtschaft. Solche Netzwerke sind
und robusten optischen Uhr zur Synchronisation eine wichtige Basis für die langfristige Entwicklung
großer Kommunikationsnetze erforscht und entwi- von Technologien zu Innovationen mit wirtschaftli-
ckelt. cher Bedeutung. Dies betrifft keineswegs nur Unter-
• Pilotprojekt „QUBE“19: Der Verbund „Quanten- nehmen und Forschungsfragen der Industrie, sondern
schlüsselverteilung mit Cube-Sat“ (QUBE) verfolgt auch Themen aus anderen Branchen wie etwa der
seit 2017 das Ziel, Hardware für eine weltweite, Finanzwirtschaft.
abhörsichere Kommunikation zu entwickeln, in-
dem QKD-Technologie in eine hochkompakte und Kompetenzzentrum Quantentechnologien an der
kostengünstige Satellitenplattform, den Cube-Sat, PTB
integriert wird. Eine wichtige Basis für industrielle Entwicklungen soll
• Förderaufruf „QuantERA Call 2017“20: Das BMBF mit einem Kompetenzzentrum Quantentechnologien
ist größter Konsortialpartner im ERA-NET Cofund an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB)
„QuantERA“ zur Förderung einer europäisch ver- geschaffen werden. Die PTB vereint eine internatio-
netzten und anwendungsorientierten Erforschung nal anerkannte fachliche Kompetenz im Bereich der
aller grundlegenden Themen der Quantentechno- Quantenmetrologie und -sensorik mit dem gesetzli-
logien und unterstützt deutsche Forscher in 18 der chen Auftrag, die deutsche Industrie im Bereich des
insgesamt 26 europäischen Projekte. Messwesens zu unterstützen. Damit bringt sie die
• Förderaufruf „Schlüsselkomponenten für Voraussetzungen mit, um wichtige Infrastrukturen
Quantentechnologien“21: Quanteneffekte sind bedarfsgerecht aufzubauen und zu betreiben sowie
empfindlich und die Geräte zu ihrer technischen erforderliche Dienstleistungen anzubieten. Wichtiges
Nutzbarmachung sind in der Regel noch groß und Ziel des Kompetenzzentrums ist die Unterstützung
teuer. In der BMBF-Maßnahme „Schlüsselkompo- der Wirtschaft – mit besonderem Fokus auf Start-ups
nenten für Quantentechnologien“ werden mehrere sowie kleine und mittelständische Unternehmen
Konsortien mit Industriebeteiligung gefördert, um (KMU) – beim anwendungsorientierten Transfer von
die hohen Kompetenzen in der Geräteentwicklung Forschungsergebnissen. Das BMWi unterstützt den
zu verstärken. Damit sollen weitere Grundlagen zur Auf- und Ausbau des Kompetenzzentrums und wird
effizienten Erforschung der Quantentechnologien dies im Rahmen der Arbeiten an der Transferinitiative
geschaffen und die Nutzung von Quanteneffekten berücksichtigen. Die inhaltlichen Schwerpunkte des
beschleunigt werden. Zentrums sind:
• Förderaufruf „Quantum Futur“22: Als zentraler • Komponenten und Technologie: Entwicklung und
Baustein für die zukünftige Erforschung und Ent- Aufbau von z. B. Einzelphotonenquellen und Oszil-
wicklung der Quantentechnologien in Deutschland latoren sowie industrietauglicher Uhren, Messgerä-
unterstützt das BMBF ab 2018 mehrere Nachwuchs- te und Sensoren,
forschergruppen, welche sich auf anwendungsori- • Kalibrierung und Dienstleistung: Aufbau von Mess-
entierte Themen der Quantentechnologien konzen- plätzen zum Charakterisieren und Kalibrieren der
trieren. o. g. Komponenten und Technologien als Dienstleis-
tung z. B. für KMU,
• Anwenderplattformen (User-Facilities): Bereit-
stellung von Glasfasernetzwerken und Technolo-
18 https://www.photonikforschung.de/projekte/quantentechnologien/ gieplattformen zur Prototypenentwicklung und
projekt/opticlock.html
19 https://www.forschung-it-sicherheit-kommunikationssysteme.de/ Kleinstserienfertigung,
projekte/qube • Gründerzentren, Ausbildung, Öffentlichkeitsarbeit,
20 https://www.quantera.eu/co-funded-call/call-2017
21 https://www.bmbf.de/foerderungen/bekanntmachung-1372.html
Unterstützung Technologietransfer: Bereitstellung
22 https://www.bmbf.de/foerderungen/bekanntmachung-1371.html und Betrieb eines Inkubatorlabors zur Überführung18 Quantentechnologien – von den Grundlagen zum Markt
von Quantentechnologien in die Anwendung sowie Beispiele sind etwa Laborausstattung, Lasersysteme,
Ausbildungszentren für Ingenieure. Vakuum- oder Kryoausrüstung, optische Bauteile,
Spezialkameras, Detektoren zusammen mit entspre-
Leitmarktinitiative in der Labor- und Ausrüstungs- chender Ausleseelektronik, Radiofrequenzquellen und
technik allgemeiner Messtechnik, integrierfähige Steuerelekt-
Wie das bei anderen Technologien in der Vergangen- ronik sowie spezielle Software.
heit der Fall war, werden auch viele Anwendungen der
Quantentechnologien ihre ersten Märkte voraussicht- Die Forschungsvorhaben und andere Maßnahmen die-
lich im direkten Umfeld der Forschung finden: ses Programms können vermehrt Beschaffungsprozes-
se für derartige Produkte auslösen. Die Bundesregie-
„Der zurzeit größte bekannte Markt für Quan- rung strebt an, diese Entwicklungen so zu koordinieren
tentechnologien ist die universitäre öffentliche und zu kommunizieren, dass Leitmärkte für Quan-
Forschung. Es ist auch zu erwarten, dass es einen
signifikanten, nicht öffentlichen Markt im Sicher
heitsbereich gibt, der aus unserer Wahrnehmung
sich noch sehr stark im Forschungs- und Ent-
wicklungsstadium befindet. Beide Märkte fragen Die Quantengerätetechnik kann als ein eigenstän-
heute die unterstützenden ‘Quantum-enabling diger Markt angesehen werden, da die weltweite
Technologies‘ in einer großen technologischen Laborausrüstung der Forschungsinstitute für
Breite ab und werden in Deutschland zumeist sich genommen schon ein substanzielles Markt-
von KMU bedient. Wir gehen, basierend auf den volumen darstellt. Für deutsche Unternehmen
Zahlen aus Großbritannien, heute weltweit von eröffnen sich daher auch für den Absatz solcher
etwa 30.000 Personen und einem Forschungsetat Hightech-Produkte, wie der dargestellten Steu-
von jährlich mehr als 1,5 Mrd. Euro aus. Deutsch- erung einer optischen Einzelionen-Uhr, sehr
land hat davon einen geschätzten globalen Anteil gute Chancen im internationalen Wettbewerb
von etwa 6 bis 10 %.“23 – und dies umso mehr, als der Einsatz dieser
Technik sich nicht auf die Quantentechnolo
gien beschränkt, sondern sie darüber hinaus für
23 Förderung von Quantentechnologien – Positionspapier der Deut-
vielfältige andere Arbeiten in der experimentellen
schen Industrie; S. 4; Quelle: s. Fußnote 7 Forschung von Nutzen ist.��������������������������������� 19
tentechnologien entstehen, die insbesondere für KMU Digitalisierungs- und Innovationsprogramms“ zur
sowie für Aus- und Neugründungen erreichbar sind. Verfügung.33 Im „Nationalen Programm für Weltraum
und Innovation“34 werden gezielt Vorhaben zur Er-
Leitmärkte bedingen auch Standards. Sofern erforder- schließung von Quantentechnologien für zukünftige
lich, wird die Bundesregierung deshalb die Entwick- Raumfahrtanwendungen gefördert.
lung forschungsnaher Normen und Standards in den
F&E-Förderprojekten unterstützen. Diese breite, technologie- und branchenoffene Förder-
landschaft ist für den Innovationsstandort Deutsch-
Innovationen im Bereich Quantentechnologien land von zentraler Bedeutung. In besonderer Weise
stärken profitieren davon junge Unternehmen sowie KMU.
Die Bundesregierung unterstützt die Innovationskraft
von Unternehmen durch innovationsfreundliche Für die Entwicklungen von Anwendungen der Quan-
Rahmenbedingungen sowie durch technologie- und tentechnologien, die in vielen Fällen durch Start-ups
branchenoffene, marktorientierte und branchenspe- und KMU vorangetrieben werden, wird es entschei-
zifische Förderprogramme. Das Spektrum an Förder- dend darauf ankommen, diese Förderlandschaft zu
möglichkeiten ist breit. Unterschiedliche Aspekte der erschließen und effektiv nutzbar zu machen. Die Bun-
Gründungsförderung werden beispielsweise im Rah- desregierung wird die Innovationsberatung entspre-
men von „EXIST“24, dem „High-Tech Gründerfonds“25 chend ausrichten. Neben dieser technologieoffenen
oder „INVEST – Zuschuss für Wagniskapital“26 adres- Förderlandschaft sind darüber hinaus auch quanten-
siert. In der späteren Wachstumsphase, in der es jungen technologie-spezifische Unterstützungsmaßnahmen
Unternehmern häufig an Finanzierungsmöglichkeiten für Start-ups und KMU geplant, beispielsweise durch
für die Weiterentwicklung der Innovationen fehlt, die Bereitstellung entsprechender Infrastrukturen
stehen verschiedene Wagniskapitalangebote des ERP- (s. Kompetenzzentrum Quantentechnologien an der
Sondervermögens (ERP: European Recovery Program) PTB). Mit dem Förderaufruf „KMU-innovativ: Photo-
zur Verfügung, die gemeinsam mit der KfW oder dem nik und Quantentechnologien"35 steht seit Juli 2018
Europäischen Investitionsfonds (EIF) und privaten zweimal jährlich eine speziell auf KMU ausgerichtete
Investoren aufgesetzt wurden. Förderprogramme zum Fördermöglichkeit zur Verfügung.
Kompetenzaufbau und zur Vernetzung sind beispiels-
weise „go-Inno“27 und „go-cluster“28. Mit „WIPANO“29, Der Technologietransfer von quantentechnologie-
der „Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)“30 basierten Anwendungen in den Markt ist ein wichtiges
und „INNO-KOM“31 stehen Fördermaßnahmen im Anliegen des Programms. Dies schließt die Weiterent-
Bereich der vorwettbewerblichen Forschung und Ent- wicklung der erforderlichen Qualitätsinfrastruktur
wicklung zur Verfügung. Die Förderung von marktna- mit ihren wesentlichen Elementen ein (Messwesen,
her Forschung und Entwicklung erfolgt im Rahmen Akkreditierung, Konformitätsbewertung, Normung
des „Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand“ und Eichung).
(ZIM).32 Finanzierungsförderung für Innovations- und
Digitalisierungsvorhaben steht im Rahmen des „ERP-
24 https://www.exist.de
25 https://high-tech-gruenderfonds.de
26 https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Dossier/invest.html
27 https://www.innovation-beratung-foerderung.de/INNO/Navigati-
on/DE/go-Inno/go-inno.html
28 http://www.go-cluster.de; https://www.clusterplattform.de
29 https://www.innovation-beratung-foerderung.de/INNO/Navigati-
on/DE/WIPANO/Patentierung-Unternehmen/patentierung-unter- 33 https://www.kfw.de/inlandsfoerderung/Unternehmen/Innovation/
nehmen.html F%c3%b6rderprodukte/ERP-Digitalisierungs-und-Innovationskre-
30 https://www.aif.de/innovationsfoerderung/igf-industrielle-gemein- dit-(380-390-391)/
schaftsforschung.html 34 https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Dossier/luft-und-raumfahrt.
31 https://www.innovation-beratung-foerderung.de/INNO/Navigati- html
on/DE/INNO-KOM/inno-kom.html 35 https://www.photonikforschung.de/projekte/kmu-innovativ/foer-
32 https://www.zim.de dermassnahme/kmu-innovativ-photonik-und-qt.html20 Quantentechnologien – von den Grundlagen zum Markt
3.3 Leuchtturmprojekte für len formulieren. So ist z. B. die Verbesserung der Kohä-
industrielle Wettbewerbsfähig- renzzeiten von Quantenspeichern ein Schlüsselfaktor
auf dem Weg zu einer nachhaltig abhörsicheren Kom-
keit etablieren munikation. Derartige Kennzahlen stellen auch einen
Noch existiert eine (unterschiedlich) große Lücke essenziellen Schritt bei der sicheren Authentifizierung
zwischen wissenschaftlichen Forschungsergebnissen von Systembenutzern dar. Diese Authentifizierung
und industriellen Umsetzungen. Aber die deutsche wird heutzutage häufig mit Hardwarekomponenten,
Wirtschaft – Großunternehmen, KMU und Start-ups sogenannten Security-Token oder auch Chipschlüsseln,
– kann und soll sich vom Beobachter und Zulieferer realisiert. Die Sicherheit solch klassischer Authentifi-
zum strategischen Treiber der Entwicklung im Feld der zierungsverfahren kann jedoch beispielsweise durch
Quantentechnologien entwickeln. Experten aus deut- leistungsfähige Quantencomputer gefährdet werden,
schen Unternehmen haben angeregt36, diesen Prozess sodass auch hier künftig Quanten-Token für Quanten-
u. a. mit Leuchtturmprojekten zu unterstützen, die für kommunikation eine technische Alternative darstellen
Interessenten in Öffentlichkeit, Politik und Unterneh-
men sichtbar machen, dass es sich bei Quantentechno-
logien nicht um abstrakte wissenschaftliche Konzepte
handelt, sondern um neue Technologien und Verfahren Sichere Kommunikationsverfahren stellen für
mit Auswirkungen und großen Potenzialen für viele unsere Gesellschaft eine wichtige Grundlage des
Wirtschaftsbereiche. Die Bundesregierung wird diesen Wirtschaftssystems dar. Die Erforschung, Reali-
Vorschlag aufgreifen und unter Federführung des sierung und Implementation von Komponenten
BMBF zunächst zwei Leuchtturmprojekte anstoßen. und Systemen mit tatsächlichem Gebrauchswert
ist daher mit großer Priorität erforderlich. Große
Wettbewerb zur Quantenkommunikation Vorzeigeprojekte, wie z. B. die satellitengestützte
In der Quantenkommunikationsforschung lassen sich Quantenkommunikation mit Bodenstationen wie
gegenwärtig wichtige Ziele mit technischen Kennzah- im Bild zu erkennen, setzen ein starkes Signal für
diesen Aufbruch in die Quantentechnologien und
haben das Potenzial, die Wettbewerbsfähigkeit für
36 Förderung von Quantentechnologien – Positionspapier der Deut-
Systemumsetzungen und Infrastrukturlösungen
schen Industrie, S. 21; Quelle: s. Fußnote 7 zu stärken.Sie können auch lesen
