Quantentechnologien

Der Tanz der Quanten wird reif für die grosse Bühne

Bernhard Braunecker (Schweizerische Physikalische Gesellschaft), Andreas Fuhrer und Thilo Stöferle (IBM Research – Zurich, Schweizerische Physikalische Gesellschaft)

Der Begriff «Quantentechnologie» umfasst generell alle Technologien, die zentral auf Quanteneffekten basieren zum Beispiel quantisierte atomare Energieniveaus, Tunneleffekt, Zustandsüberlagerung oder -verschränkung. Im Zusammenhang mit der zweiten Quantenrevolution wird aber oft nur der Unterbereich gezählt, der sich die gezielte Kontrolle einzelner Quantensysteme zunutze macht, um völlig neuartige Bauelemente oder Methoden zu ermöglichen. Hierzu gehören zum Beispiel Quantencomputing, -kommunikation, -kryptografie, -sensoren und -simulation, deren Entwicklungsstand jedoch recht unterschiedlich ist.

So sieht es heute aus

Die Quantenkryptografie ist schon mit Produkten auf dem Markt, wobei der Schweizer Firma ID Quantique eine weltweite Vorreiterrolle zukommt. Quantensensoren sind in kommerziellen Magnetfeld-Sensoren integriert, und auch die Autoindustrie und Medizintechnik arbeiten an zukünftigen Produkten. Die nächste Generation Atomuhren, «Optische Uhren», bieten erheblich verbesserte Genauigkeit. Insbesondere die Informationsverarbeitung mit Quantencomputern zieht viel Aufmerksamkeit auf sich: Sie hat das Potenzial, unsere digitalisierte Gesellschaft stark zu verändern, vor allem, wenn es um rechenintensive Problemstellungen geht. Quantencomputer sind im Moment noch störungsanfällig, werden aber schon jetzt kommerziell eingesetzt, um neuartige Quantenalgorithmen auf ihren Nutzen zu prüfen. Generell ist die inhärente Empfindlichkeit gegenüber jedweden äusseren Störeinflüssen, ob elektrischer, magnetischer oder mechanischer Art, eine zentrale Herausforderung und ein Grund für die Komplexität der Technologie. Die Schweiz ist bezüglich der Forschung in den Gebieten der Quantentechnologien international sehr gut positioniert. Allerdings gilt es, diese Expertise über langfristige Forschungsprogramme weiter zu fördern, um eine «kritische Masse» zu erreichen, Schwerpunktcluster zu bilden und die Brücken zur Industrie auszubauen. Nur so können Schweizer Unternehmen das Marktpotenzial in diesen Gebieten erschliessen.

Ein Blick in die Zukunft

Das Gebiet der Quantentechnologie hat in den letzten Jahren einen wahren Boom erlebt mit signifikanten staatlichen und privatwirtschaftlichen Investitionen. Das hat zu rasanten Fortschritten geführt, und es ist zu erwarten, dass sich diese Entwicklung in den nächsten fünf Jahren noch verstärkt. Immer mehr Lösungen werden Marktreife erlangen, angeführt von Quantenkommunikation über Quantensensorik bis zu Quantencomputing. Gleichzeitig stellt die Kontrolle solcher Systeme extreme Anforderungen an die Präzision und Stabilität der mechanischen, elektrischen und optischen Kontrollsysteme. Das eröffnet eine Vielfalt an Möglichkeiten für Schweizer KMU, Hochtechnologie-Komponenten im Bereich der Fabrikation oder für den Betrieb der Quantentechnologien zu liefern. Die Rahmenbedingungen spielen hier eine zentrale Rolle, um längerfristig international wettbewerbsfähig zu bleiben. So etwa die Ausbildung von Quanteningenieurinnen und Quanteningenieuren, die Förderung von Start-ups und KMU sowie grössere strategische Initiativen in diesem sich schnell verändernden Bereich.