Quantentechnologie: Wie die EU den Vorsprung der Konkurrenz aufholen will
Um mit den USA und China mitzuhalten, fördert Europa massiv die Quantentechnologie. Quantenkommunikation und Quantencomputing stehen dabei im Fokus.
Hoffnungsträger: Supraleitender Quantenchip von Google. Der US-Konzern liegt mit IBM aktuell vorne bei der Entwicklung von Quantencomputern.
(Bild: Google)
Am Montag wurde die erste quantenkryptografisch abgesicherte Verbindung zwischen zwei Bundesbehörden öffentlichkeitswirksam vorgeführt. Das Projekt gehört zu einer ganzen Reihe von Forschungsinitiativen, mit denen die Bundesregierung die "technologische Souveränität" Europas sichern will. Als eine der Schlüsseltechnologien hat sie dabei die Quantentechnologie identifiziert.
Dass Quantenphysik als unverständlich und rätselhaft gilt, liegt nicht nur an der recht abstrakten Mathematik, die der Theorie zugrunde liegt. Irritierend ist dabei vor allem der permanente Verstoß von Quantensystemen gegen den gesunden Menschenverstand: Die meist mikroskopisch kleinen Quantenobjekte bewegen sich durch Barrieren wie Gespenster, sind scheinbar gleichzeitig an zwei verschiedenen Orten und können sich in rätselhafter Art und Weise augenblicklich auch über größte Entfernungen gegenseitig beeinflussen. Quantentechnologie nutzt diese Phänomene gezielt aus, in dem sie die Zustände einzelner Quantensysteme gezielt präpariert und manipuliert.
Auf diese Weise kann man - zumindest theoretisch - mit Quantencomputern Berechnungen durchführen, die mit klassischen Computern nicht durchführbar sind. Quantenkryptografie ermöglicht es, Daten unknackbar zu verschlüsseln und mit Quantensensoren lassen sich Dinge messen, die zu messen bisher als unmöglich galt. Obwohl es wie eine Floskel klingt, ist das Potenzial dieser Technologie tatsächlich „revolutionär“. Allerdings ist es noch weitgehend theoretisch – vieles ist noch immer in einem frühen Forschungsstadium.
Milliardenförderung seit 2018
Seit einiger Zeit gibt es auf dem Gebiet der Quantentechnologie allerdings rasante, technische Fortschritte. Quantenkryptografie beispielsweise, die mathematisch beweisbare unknackbare Verschlüsselung von Daten, galt noch in den 1980er Jahren als spannendes theoretisches Konzept und wurde in den frühen 2000ern erstmals praktisch realisiert – wenn auch nur im Labor. Ähnliches gilt auch für Quantencomputing: 1994 erdachte der Mathematiker Peter Shor eine Methode, um mit Quantencomputern Zahlen in ihre Primfaktoren zu zerlegen – ein Kernbestandteil klassischer Verschlüsselungsalgorithmen. 2001 ließ IBM den Algorithmus erstmals auf einem Quantencomputer laufen, der allerdings sehr klein war und nur die Zahl 15 in ihre Bestandteile 5 und 3 zerlegen konnte.
Bei vielen solcher Forschungsprojekte hatten europäische Forschende die Nase vorn. Technisch nutzbar gemacht werden sie aber seit rund 20 Jahren überwiegend von großen US-Konzernen wie Google und IBM, die vor allem das Potenzial von Quantencomputern für sich nutzen wollen. Denn mit Quantencomputern ließen sich zum Beispiel das Design von neuen Molekülen für Medikamente simulieren, Verkehrsflüsse in Megastädten in Echtzeit vorhersagen oder das maschinelle Lernen auf eine neue Stufe heben.
Der Physiker Tommaso Calarco vom Forschungszentrum Jülich initiierte daher gemeinsam mit Kollegen eine Art Roadmap, einen Plan für ein europaweites, koordiniertes Forschungsprogramm, das es möglich machen sollte, die „zweite Quantenrevolution“ auch technisch zu nutzen. Das „Quantenmanifest“ hatten bei seiner Veröffentlichung 2016 über 900 Forscherinnen und Forscher unterzeichnet. 2018 beschloss die EU, die Entwicklung der Quantentechnologie tatsächlich mit einer Milliarde Euro zu fördern – allerdings gestreckt über zehn Jahre. Zusätzlich zu dem EU-Paket beschlossen einzelne EU-Staaten wie zum Beispiel Deutschland weitere nationale Förderprogramme. In Deutschland hat die Regierung erst vor Kurzem knapp zwei Milliarden Euro Fördermittel für die Entwicklung von Quantentechnologie bereitgestellt.
Lästige technische Beschränkungen
Die Förderung konzentriert sich auf drei technische Gebiete mit sehr unterschiedlichem technischen Reifegrad und Anwendungspotenzial: Quantencomputer, Quantenkommunikation und Quantensensorik. Technisch gesehen ist die Entwicklung bei der Quantenkommunikation am weitesten: Bereits Anfang der 2000er Jahre standen erste kommerziell verfügbare Systeme zur Verfügung, mit denen eine abhörsichere Quantenkommunikation realisiert werden kann. Diese Systeme konnten sich aber im Wesentlichen aus drei Gründen nicht durchsetzen:
Erstens lösten sie ein sehr theoretisches Problem: Starke, gut implementierte, klassische Kryptografie ist zwar theoretisch angreifbar. In der Praxis erfordert es aber Angreifer mit erheblichen Ressourcen, um diese Verschlüsselung zu brechen.
Zweitens ist die Technologie zwar die einzige, die theoretisch - mathematisch beweisbar - nicht angreifbar ist. Bei der praktischen Installation tun sich aber auch in der Quantenverschlüsselung Lücken auf, die Hacker ausnutzen können. Der russische Physiker Vadim Makarov beispielsweise konnte mit seinem Quantum Hacking Lab bereits 2008 zeigen, wie sich Photonendetektoren "blenden" lassen, um quantenkryptografische Systeme auszutricksen.
Drittens gibt es lästige, technische Beschränkungen: Bisher kann man quantenkryptografische Verbindungen nur zwischen zwei Punkten herstellen – eine weitergehende Vernetzung geht nur auf Kosten von Sicherheit. Außerdem ist die Reichweite von solchen Verbindungen auf einige hundert Kilometer beschränkt. Zwar arbeiten Forschende in den Niederlanden an einem Quanten-Repeater, der eine echte Vernetzung von mehr als zwei Punkten erlaubt, aber die Arbeiten sind noch in einem recht frühen Stadium.
Die Technik ist notwendig
Für alle drei Punkte hat sich die Situation in den vergangenen zehn Jahren jedoch erheblich verändert. Staatliche oder zumindest staatlich unterstützte Cyberangriffe mit erheblichen Ressourcen sind mittlerweile an der Tagesordnung. Zudem stecken potenzielle Angreifer – aber auch Konkurrenten – erhebliche Mittel in die Entwicklung von Quantencomputern, mit deren Hilfe sich konventionelle Verschlüsselung leicht knacken lässt. Gleichzeitig baut China sein eigenes quantenkryptografisches Netz massiv aus und macht – auch wenn es technisch unvollkommen sein mag – damit wertvolle praktische Erfahrungen. Das hat zu einer Neubewertung von Quantentechnologie geführt.
Vor allem auf Unternehmensseite gibt es mittlerweile ein großes Interesse daran, das Potenzial von Quantencomputing und Quantenkommunikation gezielt auf seine Praxistauglichkeit hin zu untersuchen. Während es beim Computing primär darum geht, zu erkunden, wie man etwa Optimierungsprobleme praktisch auf Quantencomputer übertragen kann und was man aus der aktuell noch sehr begrenzten Quanten-Hardware tatsächlich rausholen kann, liegt der Fokus bei der Quantenkommunikation auf der Stabilität und Praxistauglichkeit der Komponenten.
Im Bereich der Quantencomputer setzt Europa zudem auf die unabhängige Entwicklung eigener Hardware, um nicht in eine einseitige technische Abhängigkeit zu geraten. Die Chancen der Europäer sind dabei gar nicht so schlecht, wie sie auf den ersten Blick aussehen. Denn Google und IBM sind zwar im Moment am weitesten beim Bau von Quantencomputern – beide setzen auf supraleitende Schleifen in ihren Quantenprozessoren. Im Projekt OpenSuperQ wollen europäische Forscher innerhalb der nächsten fünf Jahre zunächst aufschließen und einen eigenen supraleitenden Quantenchip mit 50 Qubits bauen. Die Hauptaufgabe sehen die Forscher dann aber ohnehin darin, für den Quantencomputer eine funktionierende Fehlerkorrektur zu entwickeln – ein Problem, an dem weltweit bisher alle Forschungsgruppen noch arbeiten.
Ionenfallen-Quantencomputer
Zudem sind supraleitende Chips nicht die einzige Hardware, um einen Quantencomputer zu bauen – und die Frage, welche Hardware am besten ist, ist noch nicht entschieden. Im Projekt AQTION beispielsweise entwickeln europäische Forscher einen Quantencomputer auf der Basis von sogenannten Ionenfallen. Als Qubits dienen dabei Ionen, die von elektrischen Feldern festgehalten und mit Laserpulsen angeregt werden. Innerhalb von zwei Jahren konnten sie bereits den Prototypen eines solchen Quantenrechners in einem Server-Modul unterbringen. In anderen Arbeitsgruppen forschen Wissenschaftler an Spin-Qubits in Silizium oder Ionenfallen, die mit Mikrowellen angesteuert werden.
Das gesamte Gebiet der Quantentechnologie ist sehr forschungslastig – technisch hochspezialisierte Entwicklungen wie etwa eine extrem rauscharme Elektronik für die Steuerung der Quantensysteme sind eng verzahnt mit experimenteller und theoretischer Grundlagenforschung. Um an dieser Stelle voranzukommen, setzte die Quanten-Community bisher auf starke internationale Zusammenarbeit.
Im August 2016 beispielsweise startete eine Rakete vom chinesischen Weltraumbahnhof Jiuquan und beförderte einen Kommunikationssatelliten in eine erdnahe Umlaufbahn, von dem aus das erste mal eine Quanten-Verbindung zwischen zwei Kontinenten realisiert wurde. Möglich gemacht hat dieses Experiment die Zusammenarbeit von Jian-Wei Pan, von der chinesischen Universität für Wissenschaft und Technik und dem Quanten-Pionier Anton Zeilinger aus Wien. Pan hatte bei Zeilinger seine Doktorarbeit geschrieben.
Solch eine unbeschwerte Kooperation dürfte in Zukunft schwieriger werden. Nicht nur mit Forschenden in China: Als wegweisend könnten sich hier die Regeln für Projekt im Forschungsrahmenprogramm Horizon Europe erweisen. Monatelang diskutierten die EU-Kommission und die Regierungen der Mitgliedsländer jedoch über die Beteiligung von Forschenden aus „Drittstaaten“ an „sensiblen Forschungsprojekten“, auch im Bereich Quantentechnologie. Ein ursprünglicher Entwurf, der die Beteiligung von Forschenden auch aus der Schweiz, Israel oder Großbritannien an solchen Projekten künftig ausgeschlossen hätte, wurde unter anderem auf Initiative der deutschen Regierung gestrichen. Laut dem Kompromiss, dem aber die EU-Kommission noch zustimmen muss, müssen die Antragssteller „nur noch“ glaubhaft nachweisen, dass ihre Beteiligung europäische Interessen, Sicherheit und Autonomie nicht verletzen würde.
Wie man es dreht oder wendet: Die internationale Zusammenarbeit bleibt also ein Knackpunkt bei der Entwicklung von Quantentechnologie. Ob sich also eine rein europäische Quantentechnologie jemals realisieren lässt, darf zumindest als sehr unwahrscheinlich betrachtet werden. Aber das ist für Quantenforscher ja alltäglich.
(bsc)
