Im Oktober 2019 elektrisiert eine Meldung aus Kalifornien die Öffentlichkeit. In einem Forschungslabor von Google haben Entwickler einen Quantenprozessor getestet, der eine spezielle Rechenaufgabe schneller löst als klassische Supercomputer. „Googles Quantencomputer beweist Quantenüberlegenheit“– die Schlagzeile geht um die Welt und rückt ein Forschungsgebiet ins Rampenlicht, für das sich lange nur Fachleute interessierten.

Branchenkenner hat der Durchbruch nicht überrascht. Neue Quantentechnologien werden im Silicon Valley und anderswo als Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts gehandelt. Ingenieure und Investoren wittern eine zweite Quantenrevolution, die Wirtschaft und Gesellschaft ähnlich tiefgreifend verändern könnte, wie die technologischen Errungenschaften nach der Geburt der Quantenmechanik. In den 1950er- und 60er-Jahren bescherten sie der Menschheit mit Transistor und Laser die Grundlagen für Computertechnologie und Glasfaserinternet, globale Vernetzung und Digitalisierung. Die Wegbereiter der zweiten Quantenrevolution haben ähnliches im Sinn: bahnbrechende Innovationen, die ganze Industriezweige umkrempeln.

Quantencomputer nutzen quantenphysikalische Phänomene namens Überlagerung und Verschränkung, um bestimmte Rechenaufgaben hochparallel zu lösen. Das verspricht enorme Geschwindigkeitsvorteile, die sie bei spezifischen Problemen jedem klassischen Superrechner überlegen machen.

Statt mit Datenbits, die entweder den Wert 0 oder 1 haben können, rechnen Quantencomputer mit Quantenbits (kurz: Qubits), die viel mehr auf dem Kasten haben: Es sind atomare Systeme in einer Art Schwebezustand, die gleichzeitig die Zustände 0 oder 1 sowie alle Werte dazwischen repräsentieren können - analog zu Schrödingers Katze im berühmten Gedankenexperiment, die zugleich tot und lebendig ist, solange keiner nachschaut, wie es ihr geht. Während ein PC mit 10 Bits nur einen von 1024 Werten kodieren kann, kann ein Quantencomputer mit 10 Qubits all diese Werte gleichzeitig verarbeiten. Ein Register mit 250 Qubits kann theoretisch mehr Zahlen speichern als es Atome im Universum gibt. 

Um die elementaren Informationseinheiten von Quantencomputern zu realisieren, beschreiten Entwickler verschiedene Pfade. Google, IBM, Intel und das kanadische Unternehmen D-Wave verwenden tiefgekühlte supraleitende Stromschleifen als Qubits. Quanten-Dompteure an der Universität Innsbruck nutzen schwebende Atome, die sie mit Laserlicht manipulieren. Microsoft und andere setzen auf künstliche Atome in Halbleiterchips. Welche Hardware das Rennen machen wird, ist offen. Entscheidend wird sein, wie gut skalierbar sie ist.

Die derzeitigen Quantenprozessoren mit einigen Dutzend bis hunderten Qubits taugen nur für Fingerübungen. Für durchschlagende Quantenpower braucht es Prozessoren mit Millionen Qubits. Doch die Skalierung schreitet so schnell voran, dass Quantencomputer binnen zehn Jahren konventionelle Elektronengehirne übertrumpfen könnten. Geheimdienste, Militärs und Regierungen bereiten sich darauf vor, und auch Konzerne wie Volkswagen, BMW und Daimler loten bereits Einsatzgebiete aus.

Die Quantenphysik ebnet den Weg für absolut abhörsichere Kommunikationskanäle, bei denen unbefugte Lauscher oder Mitlesende unweigerlich auffallen. Kommerzielle Quantenkryptographie-Systeme, mit denen Banken, Behörden, Unternehmen und Geheimdienste vertrauliche Informationen austauschen, gibt es bereits seit 15 Jahren. Aktuell tüfteln Forscher vielerorts daran, regionale Quantennetzwerke für die sichere Kommunikation und die Vernetzung künftiger Quantencomputer aufzubauen.

Globaler Vorreiter ist China. 2017 wurde dort ein 2.000 Kilometer langes Glasfasernetz für Quantenkryptographie in Betrieb genommen. Auch bei der satellitengestützten Quantenkommunikation hat das Reich der Mitte die Nase vorn. 2017 vermittelte der chinesische Quantensatellit Micius die erste quantenkryptographisch gesicherte Videokonferenz zwischen Peking und Wien – eine Weltpremiere.

Fernziel der Entwicklungen ist ein globales Quanten-Internet. Eine der Schlüsselkomponenten dafür sind sogenannte Quanten-Repeater, die es ermöglichen, Quanteninformation in Glasfaserkabeln über große Distanzen zu verschicken. Quanten-Repeater gelten unter Fachleuten als der heilige Gral der Quantenkommunikation. Ihre Entwicklung wird intensiv vorangetrieben und auch in Deutschland und Europa mit Millionen an Steuermitteln gefördert.

Quantensimulatoren sind weniger vielseitig als universelle Quantencomputer. Doch sie erlauben Grundlagenforschern und Materialwissenschaftlern spannende Einblicke in das Verhalten komplexer Vielteilchensysteme wie Gase, Flüssigkeiten und Festkörper. Wegen der Quantennatur atomarer Partikel steigt der Rechenaufwand für die Modellierung solcher Systeme bei klassischen Computern exponentiell. Konventionelle Superrechner sind deshalb bereits überfordert, wenn sie das Zusammenspiel einiger Dutzend Quantenteilchen im Detail simulieren sollen.

1982 schlug der US-Physiknobelpreisträger Richard Feynman deshalb vor, die wesentlichen Merkmale komplexer Vielteilchensysteme mit gezielt manipulierbaren Quantensystemen nachzubilden. Seitdem hat sich daraus das boomende Forschungsfeld der Quantensimulationen entwickelt. Typischerweise werden dabei tiefgekühlte Atome in Lichtgittern aus Laserstrahlen festgesetzt - wie die Eier in einem Karton. Durch gezielte Manipulation der Abstände und Wechselwirkungen innerhalb dieser optischen Kristalle lassen sich wichtige Fragen der Materialforschung klären, etwa die Entstehung von Magnetismus und elektrischer Leitfähigkeit auf atomarer Ebene.

Die präzise Kontrolle von Quantensystemen auf atomarer Ebene, die der Motor der zweiten Quantenrevolution ist, eröffnet auch der Messtechnik neue Horizonte. Durch Ausnutzung von Quanteneffekten lassen sich hochempfindliche Messfühler bauen, die beispielsweise Magnet- und Gravitationsfelder präziser als je zuvor registrieren. Auch Zeitmesser, die noch viel genauer gehen als die besten Atomuhren, sind in der Pipeline. Sie könnten unter anderem die Genauigkeit von Satellitennavigationssystemen deutlich steigern.

Manche Quantentechnologien der zweiten Generation sind bereits kommerziell verfügbar. Mit dem Durchbruch auf breiter Front rechnen Fachleute innerhalb der nächsten zehn Jahre. Viele Unternehmen bereiten sich schon darauf vor. Bei den Autobauern BMW und Volkswagen zum Beispiel begann man schon vor Jahren, mögliche Einsatzbereiche künftiger Quantencomputer zu prüfen, erste Quantenalgorithmen zu entwickeln und auf den ersten rudimentären Quantenprozessoren laufen zu lassen. Aktuell bieten diese Fingerübungen den Unternehmen noch keinen konkreten Vorteil. Doch die bisherigen Erfahrungen zeigen: Es lohnt sich, am Ball zu bleiben, um Expertise und Personal aufzubauen. Denn das Potenzial scheint groß.

Insbesondere bei exponentiell skalierenden Optimierungsaufgaben in der industriellen Produktion und Logistik könnten Quantencomputer in einigen Jahren entscheidende Vorteile bringen. Ebenso bei der Simulation komplexer Materialien und chemischer Prozesse - etwa um leistungsfähigere Batterien oder Brennstoffzellen zu entwickeln –, sowie bei Risikoanalysen und maschinellem Lernen.

Damit Europas Forscher, Ingenieure und Industrie beim Wettlauf um diese Zukunftstechnologien nicht den Anschluss verlieren, startete die EU-Kommission 2018 eine Technologieoffensive: das Quanten-Flaggschiff-Projekt, gefördert über zehn Jahre mit mehreren Milliarden Euro. In den USA und Kanada, Japan und China gibt es ähnliche Initiativen zur Kommerzialisierung disruptiver Quanteninnovationen.

Die deutsche Bundesregierung fördert Quantentechnologien und Quantencomputing im Rahmen ihres Konjunktur- und Zukunftspaktes mit zwei Milliarden Euro. Ein eigens eingesetztes Gremium mit Expertinnen und Experten aus Wirtschaft und Wissenschaft hat dazu eine „Roadmap Quantencomputing“ erarbeitet.

Das Bundesforschungsministerium hat 2022 ein neues Forschungsprogramm für Quantensysteme aufgelegt. Erklärtes Ziel: Deutschland im Verbund mit Europa in den kommenden zehn Jahren an die Weltspitze bei Quantencomputing und Quantensensorik zu führen, sowie die Wettbewerbsfähigkeit auszubauen und die technologische Souveränität zu sichern. Das Bundeswirtschaftsministerium fördert die praxisnahe Entwicklung und Anwendungen von Quantentechnologien und Quantencomputing mit 878 Millionen Euro. Im Fokus steht die Entwicklung eines deutschen Quantencomputers sowie entsprechende Software und Anwendungen.