Quantentechnologien

Seit mehr als 100 Jahren sind Quantenphänomene bekannt. Teilweise werden sie bereits genutzt und bilden oft die Basis für moderne Technik wie Mikrochips, Breitbandinternet oder Satellitennavigation. Hierauf basierende Innovationen werden auch als sogenannte „Quantentechnologien der ersten Generation“ bezeichnet. Effekte wie Verschränkung und Überlagerung (Superposition) werden erst heute technologisch spezifisch nutzbar und bieten als „Quantentechnologien der zweiten Generation“ das Potenzial für völlig neue technische Lösungen. Sie haben sich zu einem forschungs- und wirtschaftsstrategischen Schlüsselbereich entwickelt, der als Grundlage unter anderem für hochpräzise Quantensensoren, der sicheren Quantenkommunikation oder neuartige Quantencomputer enormes Wertschöpfungspotenzial für neue Anwendungen in der Wirtschaft und mittelständischen Unternehmen im Land bieten.

Neue Möglichkeiten durch Quantencomputing

Ein Quantencomputer unterscheidet sich von klassischen Computern darin, dass seine Rechenleistung mit zunehmender Anzahl an miteinander verschränkten Qubits nicht wie bislang linear ansteigt, sondern exponentiell. Dementsprechend wachsen auch die Nutzungs- und Leistungspotenziale, wenn es gelingt, die Verschränkungszustände in Quantencomputern für spezielle Aufgabenstellungen einzustellen, bei denen zahlreiche Bedingungen in einem komplexen wechselseitigen Zusammenspiel berechnet werden müssen. Die folgenden Anwendungsbeispiele geben hierzu einen Einblick:

Optimierung der Prozess- und Ressourcenplanung in der Industrie
Ein Beispiel für den zukünftigen Einsatz von Quantencomputern liegt in der Optimierung von komplexen Produktions- und Fertigungsprozessen sowie Logistiksystemen, die abhängig von einer Vielzahl von Randbedingungen in Echtzeit aktualisiert werden müssen. Dies umfasst beispielsweise von der Planung des optimalen Zusammenspiels von einzelnen Fertigungsprozessen oder auch ganzen Produktionsabschnitten bis hin zur Optimierung von variablen Fahrtrouten und -ladungen im Transport- und Industriesektor.

Schnellere und bessere Medikamentenentwicklung
Ein weiteres Beispiel findet sich in der Medikamentenentwicklung. Die Entwicklung von Medikamenten ist aufgrund ihrer Komplexität und Wirkstoffzusammenhänge mühsam und langwierig. Bis zu einer Medikamentenzulassung können mehrere Jahre vergehen. Wissenschaftler könnten mithilfe von Quantencomputern molekulare Zusammensetzungen auf der Grundlage von quantenchemischen Modellen berechnen und simulieren, um schneller effizientere Medikamente zur Verfügung zu stellen.

Neue Materialien durch effizientere Materialforschung
Pionierarbeit könnten Quantencomputer ebenfalls in der Chemie und Materialforschung leisten. Selbst binäre Supercomputer stoßen in der Materialforschung, wenn es um molekulare Strukturberechnungen und –simulationen geht, an ihre Grenzen. Durch ihre Fähigkeit, parallelisierte Rechenoperationen gleichzeitig durchzuführen, könnten Forscher mit Hilfe von Quantencomputern erheblich mehr Hypothesen zum Verhalten neuer Materialien unter bestimmten Bedingungen untersuchen, als ihnen bislang möglich war. Dies könnte beispielsweise in der Entwicklung von leistungsfähigeren Elektrodenmaterialien in Batterien oder Katalysatoren in Brennstoffzellen für die Elektromobilität helfen.

Autonomes Fahren und intelligente Verkehrssteuerung
Autonom fahrende Fahrzeuge in ein umfassendes Mobilitätskonzept einzubinden stellt eine enorme Herausforderung dar, nicht zuletzt wegen der enormen Datenmengen, die dabei anfallen werden. Wie lassen sich Verkehrsströme unter Berücksichtigung ihrer Umgebung so intelligent steuern, das die Verkehrsinfrastruktur optimal genutzt wird? Ein Quantencomputer könnte unter Berücksichtigung von Variablen, wie zum Beispiel Ampelschaltungen, Tempobegrenzungen oder Verkehrsaufkommen den Verkehr besser planen und steuern.

Um zukünftig auch im Bereich Quantencomputing Innovationsland Baden-Württemberg zu sein, strebt das Land mit seinen Unterstützungs- und Fördermaßnahmen aktive Weiterentwicklung der Technologie in der Wissenschaft und Wirtschaft an.