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.
Supercomputer der neuen Generation
Herkömmliche Computer unterscheiden bei der Informationsverarbeitung nur zwei Zustände: 0 oder 1, auch bekannt als Binärcode. Abhängig von ihrer Bitanzahl stoßen sie trotz immer größer werdender Leistungsfähigkeit häufig an ihre Grenzen, denn analog zur Leistungsfähigkeit steigen auch die Leistungsanforderungen. Was wäre jedoch, wenn ein Computer neben diesen zwei Zuständen im Binärcode noch beliebig viele weitere Mischzustände unterscheiden könnte? Im Gegensatz zu den Bits eines herkömmlichen Computers, kann ein Quantenbit (Qubit) beliebig viele Überlagerungen aus 1 und 0 einnehmen. Zudem lassen sich solche Qubits quantenmechanisch miteinander koppeln bzw. „verschränken“ und können einen gemeinsamen Gesamtzustand einnehmen. Diese Eigenschaften machen Quantencomputer zu einem parallelen Analogrechner, der für spezielle Aufgabenstellungen besonders geeignet ist. Die Möglichkeiten und Leistungspotenziale, die die Nutzung von Quantencomputern birgt, sind enorm. Quantencomputer können in wenigen Augenblicken bislang praktisch unlösbare Problemstellungen lösen für die herkömmliche Computer sehr viel längere Zeit bräuchten. Der Plan, das große Potenzial von Quantencomputern nutzbar zu machen, rückt deshalb über die Wissenschaft hinaus zunehmend in den Fokus von Unternehmen.

Quantencomputer - Made in Germany und Baden-Württemberg
Um bei diesem Paradigmenwechsel eine führende Rolle einzunehmen und ein internationaler Leuchtturm für Wissen und Technik in diesem Bereich zu werden, stellt die Bundesregierung innerhalb eines Konjunktur- und Zukunftspakets zur Förderung der Quantentechnologie weitere zwei Milliarden Euro für die Wirtschaft und Wissenschaft bereit, wobei die Akteure Hand in Hand gehen und Kompetenzen aus Industrie und Grundlagenforschung gebündelt werden sollen. Ziel ist es, bis 2025 die notwendigen Technologien für deutsche Quantencomputer zu entwickeln.
Das Land Baden-Württemberg möchte zukünftig als Technologiestandort und führende Innovationsregion Europas einen entscheidenden Beitrag zur Erfüllung dieses Ziels beitragen. Unter anderem fördert das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus im Rahmen des Kompetenzzentrums Quantencomputing Baden-Württemberg innovative Verbundforschungsprojekte zu verschiedenen Themenstellungen im Bereich der Quantenhard- und -softwareentwicklungfür das das Kompetenzzentrum Quantencomputing Baden-Württemberg innovative Verbundforschungsprojekte. Geforscht wird am und mit dem Quantencomputer »IBM Q System One«, der im baden-württembergischen Ehningen exklusiv für die Fraunhofer-Gesellschaft und ihre Partner installiert wurde. Universitäten, Hochschulen, Forschungsinstitute, Start-ups und Unternehmen verschiedener Größe bilden mit einem kooperativen Ansatz das Umfeld des Kompetenzzentrums in Baden-Württemberg.

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.
Förderprogramme
Weitere FörderprogrammeFördermöglichkeiten für Maßnahmen im Bereich Quantentechnologie.
Der Innovationspreis des Landes Baden-Württemberg zeichnet herausragende innovative Leistungen von mittelständischen Unternehmen aus, die im Land ansässig sind. Ausgezeichnet werden unter anderem die Entwicklung und Anwendung moderner Technologien für neue Produkte, Verfahren und technologische Dienstleistungen. Der Preis wird in diesem Jahr bereits zum 41. Mal verliehen und hat eine lange Tradition. Mit 50.000 Euro dotiert, ist er dem ehemaligen Wirtschaftsminister Dr. Rudolf Eberle gewidmet, der von 1972 bis zu seinem Tod im Jahr 1984 in diesem Amt tätig war.
Zusätzlich vergibt die Mittelständische Beteiligungsgesellschaft (MBG) auch in diesem Jahr wieder einen Sonderpreis in Höhe von 7.500 Euro, der einem jungen Unternehmen zugutekommt.
Gefördert werden industriegeführte Verbundprojekte, die Schlüsseltechnologien für 6G und neuartige Kommunikationstechnologien in relevanten Anwendungsfeldern wie vernetzter Robotik, Telemedizin und Industrie 4.0 erforschen. Ziel ist es, innovative Lösungen zu entwickeln, die gesellschaftlich relevant und zukunftsweisend für den Standort Deutschland sind. Themen wie KI-gestützte Netzwerke, hochleistungsfähige Funkschnittstellen und energieeffiziente Infrastruktur stehen dabei im Fokus. Nachhaltigkeit, Resilienz und Sicherheit sind zentrale Querschnittsthemen, die von Beginn an in den Projekten berücksichtigt werden müssen, um die technologische Zukunftsfähigkeit sicherzustellen.
Mit dem Programm sollen vor allem Start-ups in der Frühphase und innovative mittelständische Unternehmen unterstützt werden. Das Programmvolumen beträgt zunächst 75 Millionen Euro für die kommenden drei Jahre. Die Mittel stammen überwiegend von der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW), einen Teil steuert das Land bei.
Privat Investierende, die Geschäftsanteile an diesen jungen innovativen Unternehmen erwerben, werden gefördert. Der privat Investierende erhält 25 Prozent des Ausgabepreises seiner Anteile als Erwerbszuschuss zurückerstattet.
Mit der Digitalisierungsprämie Plus werden konkrete Projekte zur Einführung neuer digitaler Lösungen sowie zur Verbesserung der IT-Sicherheit in kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) gefördert. Die Digitalisierungsprämie Plus soll den im Zuge der Corona-Pandemie entstandenen Digitalisierungsschub fortsetzen und verstärken. Gefördert wird vor allem die Einführung neuer digitaler Systeme der Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) für Produkte, Dienstleistungen, Prozesse, Verbesserung der IKT-Sicherheit sowie Künstliche-Intelligenz-Anwendungen. Der Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) unterstützt beispielsweise dabei, Prozesse effizienter zu gestalten, neue Produkte und Dienstleistungen einzuführen oder innovative Geschäftsmodelle umzusetzen.
Die Unternehmen können je nach Projektvolumen zwischen zwei Programmvarianten wählen:
- Digitalisierungsprämie Plus - Zuschussvarainte (direkter Zuschuss)
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Digitalisierungsprämie Plus - Darlehensvariante (zinsverbilligtes Darlehen mit Tilgungszuschuss)
In der Zuschussvariante wird die Antragstellung über die L-Bank, in der Darlehensvariante über die Hausbank des Antragstellers erfolgen.