Was sind Quantensysteme?

Wesentlicher Schritt auf dem Weg von der Innovation zum Produkt ist der Übergang vom Laboraufbau zum zuverlässigen Gerät. Hierfür gilt es, die technologischen Grundlagen zu schaffen.

Das verfügbare technische Equipment, insbesondere dessen Größe und Zuverlässigkeit, beschränkt aktuell die praktische Anwendung aller Quantentechnologien. Die Präparation und Kontrolle von Quantenzuständen bedeutet derzeit enormen technischen Aufwand. Außerdem braucht es viel hochqualifiziertes Personal für die Bedienung der Geräte.
Während die konkreten Anwendungen verschiedener Quantentechnologien erforscht werden, müssen sich daher auch die Geräte weiterentwickeln. Dabei geht es neben der eigentlichen Leistung der Geräte auch darum, den Betrieb zu stabilisieren und die Bedienung zu vereinfachen.  

Das industrielle Engineering der technischen Systeme – kleiner, effizienter und kompakter und damit auch robuster und betriebssicherer – liefert die Voraussetzungen, die Komplexität beispielsweise einer Quantenmesstechnik oder eines Quantencomputers so zu beherrschen, dass die überhaupt außerhalb eines Labors genutzt werden kann. Der Forschungsbereich Basistechnologien ist somit das technologische Rückgrat für die Entwicklung praxistauglicher Quantentechnologien.

Quantencomputer sind vermutlich die weitreichendste Innovation quantentechnologischer Anwendungen. Sie funktionieren prinzipiell anders als digitale Rechner.

Der revolutionäre Ansatz von Quantencomputern eröffnet neue Wege bei der Entwicklung von Prozessen und Materialen, der Analyse von Finanzmärkten oder der Optimierung von Verkehrsflüssen. Denn solche komplexen Aufgaben überschreiten die Kapazität jedes Supercomputers.

Grundlage für Quantencomputer sind Quantenbits (Qubits). Im Gegensatz zu den Bits eines herkömmlichen Computers, die nur in den Zuständen 1 und 0 existieren, kann ein Quantenbit beliebig viele Überlagerungen aus 1 und 0 einnehmen. Außerdem lassen sich Qubits untereinander „verschränken“. Das heißt, sie können einen gemeinsamen Gesamtzustand einnehmen. Diese Eigenschaften machen Quantencomputer zu einem parallelen Analogrechner, der für die genannten Aufgaben prädestiniert ist.

Quantencomputer zu entwickeln, ist eine enorme Herausforderung. Aktuell werden unterschiedliche technologische Ansätze entwickelt und untersucht. Noch ist nicht klar, welcher dieser Ansätze am besten für funktionsfähige Quantencomputer geeignet ist.

Mit Quantensystemen lassen sich physikalische Größen in nie da gewesener Präzision messen. Dabei wird die Empfindlichkeit der quantenmechanischen Zustände gezielt ausgenutzt.

Die Empfindlichkeit von Quantenzuständen und -systemen erschwert die Entwicklung praxistauglicher Quantencomputer und Quantenkommunikationstechniken sehr. Für die Messtechnik aber eröffnet genau diese Sensibilität enorme Möglichkeiten. Denn Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen ist nichts anderes als hohe Messempfindlichkeit. Mit gezielt konstruierten Quantensystemen können daher physikalische Größen wie Druck, Temperatur, Position, Zeit, Geschwindigkeit, Beschleunigung, elektrische und magnetische Felder oder die Gravitation mit bislang unerreichter Genauigkeit gemessen werden.

Quantenmessungen werden besonders dann relevant, wenn man es mit besonders schwachen Signalen bzw. schwer nachweisbaren Naturphänomenen zu tun hat. Klassische Sensoren werden zwar laufend verbessert und kombiniert, es ist jedoch absehbar, dass damit keine entscheidende Verbesserung der bisher erreichten Parameter wie Empfindlichkeit und Spezifizität mehr erreicht werden kann. Quantensensoren dagegen greifen auf Eigenschaften wie Kohärenz, Superposition und Verschränkung zurück: Die spezifischen Stärken dieser Systeme werden genutzt, um äußerst präzise Messungen durchzuführen.

Von ganz klein bis sehr groß: Bei der Quantenkommunikation geht es um den Austausch von Quantenzuständen über sehr kurze Distanzen – z. B. innerhalb eines einzelnen Chips – bis hin zu Kommunikation über Hunderte von Kilometern.

Die Quantenkommunikation nutzt verschränkte Quantenzustände zum Schlüsselaustausch in der Datenübertragung. Verschränkte Quantenobjekte, beispielsweise Photonen, werden an zwei verschiedene Orte gesendet. Misst man dann an beiden Orten bestimmte Eigenschaften der Photonen, lässt sich mit Sicherheit feststellen, ob eines der beiden Photonen bereits einmal gemessen wurde. Wenn ja, bedeutet das: Die Verbindung wurde abgehört.

Diese Technik kommt in der Kommunikationspraxis für den Austausch von Verschlüsselungen zum Einsatz. Bei der Quantenkryptografie oder Quantenschlüsselverteilung erzeugt man den Schlüssel zu einer geheimen Information auf Basis einzelner Quantenzustände. Im Unterschied zu herkömmlichen Verschlüsselungsverfahren beruht die Sicherheit hier auf einem physikalischen Naturgesetz und nicht auf mathematischen Annahmen. Damit werden erstmals Kommunikationsverbindungen möglich, deren Sicherheit physikalisch basiert – und nicht lediglich mathematisch berechnet – ist. Da Quantenzustände sehr fragil sind, bringt ihre Übertragung jedoch beträchtliche technische Herausforderungen mit sich.

Optische Komponenten sind in vielen technischen Systemen des Alltags enthalten. Vom Automobil über das Notebook bis zu Industrieanlagen und Unterhaltungselektronik – optische Bauteile sind unverzichtbare Elemente unserer modernen Welt.

Das gilt für sowohl für Komponenten, die in großen Stückzahlen hergestellt werden, als auch für ultrapräzise Spezialkomponenten. Zusätzlich braucht es für viele photonische Anwendungen spezifische Materialien, Herstellungsverfahren und Veredelungen wie beispielsweise Beschichtungstechnologien.

Ein wichtiger Faktor ist die Entwicklung immer leistungsfähigerer, kompakterer und preiswerterer photonischer Systeme im Rahmen der integrierten Optik. Dabei werden viele optische Funktionalitäten zusammen in einem Chip untergebracht und auf diese Weise in großen Stückzahlen verfügbar. Für viele Anwendungen ist diese Verfügbarkeit Voraussetzung für einen nutzbringenden Einsatz – von der Sensorik über die Konsumentenelektronik bis zur Medizin- und Fahrzeugtechnik.

Strahlquellen sind die Grundlage photonischer Technologien. Der Laser ist dabei das Universal-Werkzeug des 21. Jahrhunderts, aber auch hochenergetische Strahlung wird für viele Anwendungen benötigt.

Nur mit spezifischen Strahlquellen, die komplexe Anforderungen erfüllen, lassen sich beispielsweise Fertigungsprozesse weiter beschleunigen, immer kleinere Strukturen in mikroelektronischen Bauteilen vermessen oder sogar Energie durch Fusionsprozesse erzeugen.

Laser müssen immer leistungsfähiger, genauer, stabiler und in weiteren Spektralbereichen verfügbar werden. Hochenergie-Strahlung ist bislang nur mit großem technischem Aufwand an Großforschungsanlagen oder mit Abstrichen an Qualität und Leistung verfügbar. Laserbasierte Verfahren haben das Potenzial, den technischen Aufwand für die Erzeugung hochenergetischer (Teilchen-)Strahlung massiv zu reduzieren und damit den Weg zu einer breiten Nutzung zu ebnen.

Photonik kann eine wichtige Schlüsseltechnologie für ökologische Nachhaltigkeit sein. Ihre möglichen Einsatz- und Anwendungsfelder in diesem Bereich sind vielfältig.

Kompakte, dezentrale, photonische Messsysteme können Umgebung und Umwelt überprüfen und überwachen. Das birgt Chancen für innovative Lösungen beispielsweise in der nachhaltigen Mobilität, Wald- und Landwirtschaft sowie im Biodiversitäts- und Umweltschutz. Anwendungen im Smart Farming profitieren unter anderem von hochaufgelöster photonischer Sensorik oder laserbasierten Verfahren.

Photonische Lösungen können aber auch einen substanziellen Beitrag zur Kreislaufwirtschaft leisten. Beispiele sind das Recycling von Abfällen durch laserbasierte Erkennungs- und Sortierverfahren oder eine zielgerichtete Zerlegung in Einzelteile etwa durch das Entlöten elektronischer Bauteile. 

Neue wie bekannte Krankheitsbilder verlangen nach verbesserten Konzepten für Prävention, Diagnostik und Therapie. Aufgrund dieser gesellschaftlichen Entwicklungen ist die Medizintechnik eine der Branchen mit dem höchsten Innovationsbedarf.

Die Photonik bietet in vielen Bereichen Lösungen und setzt mit neuen Produkten und Dienstleistungen Trends. Das gilt sowohl für unterschiedliche Facetten des Infektionsschutzes als auch für hochspezialisierte Diagnose- und Therapieverfahren. Außerdem entstehen völlig neue Lösungsansätze an der Schnittstelle zwischen Photonik und Biologie, beispielsweise im Bereich Prothetik und der Optogenetik.

Photonische Technologien sind wichtige Werkzeuge für die Erkennung und Bekämpfung von Infektionskrankheiten. Sie ermöglichen etwa ein schnelleres Screening von Keimen oder eine effektivere Reinigung von Gewässern, Raumluft und Oberflächen. Die Einsatzgebiete reichen von intelligenter Bildgebung über optische Systeme für minimalinvasive Eingriffe bis hin zu kombinierten diagnostischen und therapeutischen – sogenannten theragnostischen – Verfahren. Zukünftig kann die Superresolutionsmikroskopie entscheidend dazu beitragen, Wirkmechanismen auf Zellniveau besser zu verstehen und auf dieser Basis maßgeschneiderte Therapiekonzepte zu entwickeln.
 

Das verarbeitende Gewerbe trägt maßgeblich zur Wertschöpfung in Deutschland bei. Der Erfolg hängt dabei wesentlich von innovativen Fertigungsprozessen und einem hohen Qualitätsniveau ab. 

Dabei stehen die Unternehmen jedoch vor wachsenden Herausforderungen wie dem Fachkräftemangel, dem immer intensiveren internationalen Wettbewerb, kürzeren Produktzyklen bei steigender Variantenvielfalt und individualisierten Produkten oder dynamischen Beschaffungsmärkten. Photonische Fertigungsverfahren sowie photonische Messsysteme, Sensorik und die zugehörigen IT-Systeme sind in diesem Kontext unverzichtbar und oft sogar die einzigen wirtschaftlichen Lösungen.

Beispiel dafür sind etwa Laserverfahren in der Fertigung – vom klassischen Schweißen und Schneiden von Metallen bis hin zu generativen bzw. additiven Verfahren wie dem lasergestützten 3D-Druck mit Kunststoffen oder Metallen.

Gleichzeitig sind photonische Sensoren eine wichtige Grundlage, um Prozessparameter in Echtzeit zu erfassen und so eine Qualitätskontrolle sowie eine In-Line-Prozessteuerung zu ermöglichen. Photonische Sensoren in Kombination mit modernen Methoden der Sensorfusion und industriellen Bildverarbeitung sind ein zentraler Schlüssel zum Erfolg.
 

Auch für die Photonik ist die Mobilität eines der wichtigsten und vielfältigsten Entwicklungs- und Anwendungsfelder, beispielsweise in Form von photonischer Produktionstechnik oder sensorbasiertem autonomem Fahren.

Für die autonome Fortbewegung versprechen Lösungen aus der Kameratechnologie und der photonischen Abstandsmessung, der Datenfusion, der Bildverarbeitung und des verteilten Rechnens große Fortschritte.

Die Photonik bietet außerdem Lösungen für die Herstellung von Fahrzeugen und Elektrofahrzeugen: Von der Beschichtung der hauchdünnen Elektrodenfolien bis zur Konfektionierung der Batterie-Packages mit dem Laser macht die Photonik an vielen Stellen Fortschritte in diesem Bereich überhaupt erst möglich. Die laserbasierte additive Fertigung von automobilen Bauteilen verspricht große Vorteile hinsichtlich Materialeinsatz und Leichtbau und steht aktuell an der Schwelle vom Verfahren für das Rapid Prototyping in die Serienproduktion.

Die Photonik ist für die Quantentechnologien eine wichtige „enabling technology“ und spielt auch in photonischen Quantensystemen selbst eine wesentliche Rolle. Gleichzeitig ist sie eine eigenständige Zukunftstechnologie für innovative Lösungen und Produkte auch außerhalb der Quantenwelt – und dies seit vielen Jahren zuverlässig mit immer neuen Innovationen.

Als universelles Werkzeug spielen photonische Verfahren eine wesentliche Rolle – vom Einsatz in der Grundlagenforschung bis hin zur Herstellung von Mikrochips.

Photonik ist außerdem eine Technologie der extremen Eigenschaften. Auf der einen Seite lassen sich damit winzige Strukturen schaffen und in integriert optischen Systemen auch nutzen. Auf der anderen Seite lässt sich mit energiereicher Laserstrahlung hochenergetische (Teilchen-)Strahlung mit vergleichsweise geringem technischem Aufwand erzeugen. So kann die Kosteneffizienz solcher Systeme deutlich verbessert werden, um den Weg zu einer breiten Nutzung für Wissenschaft und Gesellschaft zu ebnen.

Um Quantensysteme aus dem Labor in die Anwendung zu bringen, fehlt an vielen Stellen hochqualifiziertes Fachpersonal. Vor allem die benötigte Interdisziplinarität ist dabei eine besondere Herausforderung.

Um sicherzustellen, dass in Zukunft genügend und passgenau ausgebildetes Personal verfügbar ist, muss bereits naturwissenschaftlich interessierter Nachwuchs für die Themen Photonik und Quantentechnologien begeistert werden. Möglichkeiten dafür bietet der Physikunterricht in der Schule, doch insbesondere MINT-Studiengänge sind prädestiniert dafür, Faszination für die spannende Welt der Quanten zu wecken.

Quantentechnologische Anwendungen werden unser aller Alltag einmal verändern. Photonische Technologien wie Laser, Glasfaser oder bildgebende medizinische Verfahren tun es bereits heute. Wichtig ist bei jeder neuen Technologie, dass die Endnutzenden sie akzeptieren und verantwortungsvoll verwenden können. Basiswissen über die Prinzipien, Chancen und Risiken von Quantensystemen muss deshalb in die breite Öffentlichkeit getragen werden. Dazu gehören neben Werkzeugen der Wissenschaftskommunikation auch gezielte Outreach-Projekte.