Chancen und Risiken von Quantentechnologien

Der Begriff Quantentechnologie (QT) bezieht sich auf eine Reihe neu entstehender Technologien, die sich die Fähigkeit zunutze machen, einzelne Quantenobjekte – in der Regel einzelne Atome, Elementarteilchen (wie Photonen) oder mikroskopische elektronische Schaltkreise – zu manipulieren, um bestimmte Funktionen auszuführen. Die sogenannte erste Quantenrevolution, d. h. das Verständnis und die Anwendung physikalischer Gesetze auf mikroskopischer Ebene, die in den 1920er-Jahren begann, führte zur Entwicklung innovativer Technologien wie der des Transistors (der Grundlage der heutigen Mikroprozessoren), des Lasers, der Festkörperbeleuchtung (LED, Light Emitting Diode) und damit zu Systemen für die Kommunikation, Navigation oder zur elektronischen Datenverarbeitung, um nur einige zu nennen. Seit Anfang der 2000er-Jahre findet jedoch eine „zweite Quantenrevolution“ statt, bei der die eigenartigsten Aspekte der inzwischen etablierten Quantentheorie als Ressourcen für die Entwicklung von Technologien genutzt werden, die in der klassischen Welt keine Entsprechung haben – insbesondere die Überlagerung (dank derer ein Quantenobjekt gleichzeitig in verschiedenen Zuständen sein kann) und die Verschränkung (dank derer zwei Quantenobjekte perfekt miteinander korreliert sind und wir, wenn wir den Zustand des einen kennen, mit Sicherheit den Zustand des anderen kennen, unabhängig von der Entfernung, die sie trennt). QT können in vier Hauptbereiche eingeteilt werden, die von der höchsten bis zur niedrigsten Stufe der technologischen Reife reichen: Quantenkommunikation, Quantensensorik, Quantensimulation und Quantencomputer. Lassen Sie uns jeden Bereich kurz beschreiben.

Trotz der stetigen Steigerung der Rechenleistung entziehen sich viele wissenschaftlich und wirtschaftlich relevante Probleme einer effizienten Berechnung. Dazu gehören verschiedenste Optimierungsaufgaben in der Logistik, der Finanzmathematik und vielen anderen Bereichen, aber auch die Berechnung komplexer physikalischer Systeme wie Moleküle oder Festkörper. Quantenrechner hingegen versprechen mithilfe von Konzepten aus der Quantenmechanik wie Überlagerung und Verschränkung eine enorme Leistungssteigerung für eine Vielzahl von Problemstellungen. Der technologische Fortschritt der letzten Jahrzehnte erlaubt es uns heute, durch die Kontrolle einzelner Atome, Elektronen oder supraleitender Schaltkreise erste Quantencomputer-Prototypen zu realisieren, die beeindruckend das Zukunftspotential dieser Technologie aufzeigen. Dennoch gibt es noch einige Herausforderungen zu meistern, bevor tatsächlich praktische Probleme effizient auf Quantenrechnern gelöst werden können. Insbesondere stellt der Bau großer und vor allem erweiterbarer Quantenregister mit hinreichend hoher Qualität eine große Hürde dar, die es in einem Schulterschluss von Grundlagenforschung und Technologieentwicklung zu meistern gilt.

Die Chancen und Risiken der Quantentechnologien sind wie deren Applikation vielfältig und in der öffentlichen Debatte bis zu diesem Zeitpunkt zunächst nur in ersten Zügen erfasst. Ein Hauptaugenmerk liegt dabei auf dem Potenzial des Quantum Computing, weshalb auch dieser Beitrag darauf fokussiert. Nach einem Überblick zu den Rahmenbedingungen der zweiten Quantenrevolution und ihren wesentlichen Treibern, folgt die Darstellung der Anwendung dieser Hochtechnologie im heutigen unternehmerischen Kontext. Der Ansatz des hybriden Quantum Computing zeichnet sich dabei als einzig erfolgsversprechender Lösungsweg aus, da er bereits heute eine Anwendung in der Wirtschaft ermöglicht und ein Investment seitens Industrie nachhaltig sichert. Die hybride Quantumcloud bietet hier den entscheidenden Rahmen, um quantenbasierte Lösungen zu erarbeiten und für Unternehmen einen echten Mehrwert im Sinne von Effizienzsteigerung oder Kostenoptimierung zu generieren.

Es gibt viele Gründe, anzunehmen, dass Quantencomputer eines Tages klassischen Rechnern bei der Lösung von ausgewählten schwierigen Problemen überlegen sein werden. So gibt es beispielsweise theoretische Argumente für Vorteile bei der Primfaktorzerlegung, der Simulation von Quantensystemen oder im Kontext von Subroutinen des maschinellen Lernens. Diese benötigen jedoch fehlertolerante Quantencomputer, deren Hardwareanforderungen das derzeit Mögliche um Längen übersteigen. Wir widmen uns der wichtigen Frage, inwieweit Quantenalgorithmen bereits auf der in den kommenden Jahren verfügbaren, imperfekten Hardware für praktische Anwendungen einen Vorteil realisieren können und bieten einen Überblick über relevante Probleme, Ansätze und Begrifflichkeiten, welche bei realistischen Abschätzungen unumgänglich sind. Dies führt uns zu der Erkenntnis, dass man dem derzeitigen Hype mit Vorsicht begegnen sollte und ein nüchterner, von Grundlagenforschung geprägter Blick von großer Bedeutung ist.

Der Laser erstrahlte erstmals in den Sechzigerjahren des vergangenen Jahrhunderts. Diese Lichtquelle mit besonderen Eigenschaften wie der Kohärenz und der Fokussierbarkeit ist ein direktes Ergebnis der Fähigkeit der Kontrolle kollektiver Quantenphänomene. Sah man den Laser zunächst als eine technische Spielerei auf der Suche nach einer konkreten Anwendung, so änderte sich dies schnell. Die inhärenten Mehrwerte des Lasers im Vergleich zu klassischen Lichtquellen revolutionierten die Messtechnik, die Produktionstechnik und insbesondere die Informationstechnik. Mit der Photonik entstand eine neue Branche, die weltweit Umsätze im Bereich von mehreren Billionen US-Dollar erzielt. Heute – mehr als 50 Jahre nach der erstmaligen Realisierung dieser Lichtquelle – kommt es noch immer zu neuen, überraschenden technischen Umsetzungen dieses Konzeptes und darauf basierend der Erschließung neuer Anwendungsfelder. So eröffnen neue Konzepte für Hochleistungslaser Lösungen für wichtige Zukunftsfelder der Menschheit wie Gesundheit, Energie und Raumfahrt. Der Laser ist zu einem Treiber von Innovation geworden. Voraussetzung für diese Entwicklung waren reale Mehrwerte für den Anwender der Lasertechnik gepaart mit dem Aufbau einer Community, die die gesamte Innovationskette von der Grundlagenforschung bis zum Anwendermarkt abdeckt und zudem die Ausbildung und Qualifizierung an der Schnittstelle zwischen Physik und Ingenieurwissenschaft vorantrieb. In dieser Entwicklung kam der mittelständigen Industrie eine besondere Bedeutung zu.

Wo stehen wir heute in der praktischen Nutzung der Quantentechnologie? In der ID-Quantique (IDQ) produzieren wir als eines der wenigen Unternehmen weltweit Mikrochips basierend auf Quantentechnologie für den Einsatz in Massenprodukten wie Mobiltelefonen, Druckern und anderen vernetzten Geräten. Die Chips erzeugen Entropie in höchster Qualität, sprich Zufallszahlen. Diese bilden die Basis für die digitale Welt, denn im Bereich Verschlüsselung ist die Reinheit des Zufalls ein wesentliches Kriterium für den maximalen Sicherheitslevel, den man erreichen kann. Ohne gute Zufallszahl keine Sicherheit, insbesondere im Zeitalter von künstlicher Intelligenz und zukünftig Quantumcomputing – inwieweit „zukünftig“ der richtige Terminus ist, wird später noch weiter ausgeführt. Man kann also sagen, wir stehen mit den ersten, auf quantenphysikalischen Effekten basierenden Produkten an der Schwelle zum Massenmarkt; somit ist davon auszugehen, dass weitere Produkte und Anwendungen folgen werden.

„A fool with a tool is still a fool“, sagte Grady Booch einmal. Gewollt oder nicht – dieses Zitat hat sich als eine Art Mantra in den Informatikvorlesungen der Welt etabliert. Es soll jungen Studierenden dadurch früh vermittelt werden, dass Software und Hardware, unabhängig wie mächtig diese sind, falsch angewendet nicht zielführend sind und dass kein Tool ein Ersatz für das Verständnis der Natur eines Problems ist. Ein Quantencomputer ist eine wunderbare und komplexe Errungenschaft der Wissenschaft und des Engineerings, entwickelt auf Theorien und Technologien, die über ein Jahrhundert hinweg erforscht wurden, ein mächtiges Tool zur Lösung von Problemen. Ein Tool zur Lösung von Problemen. Ein Tool. Die Theorie erlaubt uns, Aussagen über die Problemklassen, die wir mit Quantencomputern zugreifbar machen können und werden, zu machen, und die Praxis bestätigt diese Theorien zum großen Teil heute bereits. Das bedeutet allerdings nicht, dass jedes Problem geeignet ist, mit einem Quantencomputer gelöst zu werden, oder dass wir mit Quantencomputern im Umkehrschluss jedes komplexe, heute ungelöste Problem als potenziell gelöst abhaken können. Ein Quantencomputer nutzt einige der schwer mit der uns umgebenden Welt in Einklang zu bringenden Effekte der Quantenphysik, um Berechnungen von nicht dagewesener Komplexität und Geschwindigkeit auszuführen. Selbst die heute und auch in der Zukunft leistungsfähigsten Supercomputer werden von Quantencomputern in speziellen Anwendungsfällen übertroffen werden. Wichtig ist jedoch, anzumerken, dass die Quantencomputer unsere herkömmlichen, klassischen Computer nicht ersetzen werden, denn für viele Aufgaben und Probleme sind und bleiben klassische Computer die effizienteste und auch wirtschaftlichste Lösung. Dennoch stellen Quantencomputer uns Fortschritte in verschiedenen Bereichen, von der Materialwissenschaft bis hin zur Chemie und Pharmakologie, von der Optimierung bis hin zur künstlichen Intelligenz. Unternehmen experimentieren bereits damit, alltägliche Probleme der Gesellschaft, beispielsweise Mobilitätsprobleme wie den Verkehrsfluss zu lösen. Oder sie versuchen in der simulierten Chemie, leichtere und leistungsstärkere Batterien für Elektroautos und neue Medikamente mit der Hilfe von Quantencomputern zu entwickeln oder zumindest zu verstehen, wie diese in Zukunft für derartige Aufgabenstellungen nutzbringend eingesetzt werden können. Uns Grady-Booch-Mantra in Erinnerung rufend, fragen wir uns in der Wirtschaft mehr denn je, wie wir Quantencomputer heute und in Zukunft richtig einsetzen und deren Potenzial einschätzen können, wie wir damit Produkte und Lösungen entwickeln können, die sowohl unseren Kunden als auch im eigenen Unternehmen von Wert sind.

Die Diskussion um industrielle Potenziale rund um Quantentechnologien wie Quantencomputer und deren Programmierung nimmt nicht nur in der akademischen Welt an Fahrt auf. Die Möglichkeiten, die sich in Zukunft durch Quantentechnologien und damit verbundene, neuartige Hardware- und Softwarekomponenten eröffnen, veranlassen die Industrie dazu, nach ersten Anwendungen zu suchen. Darüber hinaus herrscht die Sorge, den richtigen Zeitpunkt zum Einstieg in neue Technologien zu verpassen. Am Beispiel der Porsche Digital GmbH berichten wir von Erfahrungen, wie ein agiler Forschungs- und Technologietransfer von Quantentechnologien in einem Automobilunternehmen aussehen kann. Dabei versuchen wir, übergeordnete Prinzipien eines modernen, innovativen Technologietransfers zu erarbeiten und die spezifischen Möglichkeiten und Herausforderungen von Quantentechnologien aufzuzeigen.

Die Welt wird immer komplexer und individueller. Man weiß jetzt schon, dass bestimmte Berechnungen mit klassischen Computern an ihre Grenzen stoßen. Bereits Anfang des 20. Jahrhunderts wurde der Grundstein für Quantenmechanik gelegt, der mit dem technologischen Fortschritt nun neue Möglichkeiten des Computings eröffnet. Diese sind nicht mehr nur als Evolution, sondern als Revolution zu bezeichnen, da sie eine komplett neue Denkweise erfordern. Die Quantumtechnologie wurde bis heute noch von niemandem komplett durchdrungen. Selbst der Nobelpreisträger und Physiker Robert Feynman glaubt, dass er „mit Sicherheit sagen kann, dass niemand die Quantenmechanik versteht.“ (Carroll 2019) Die frühzeitige Beschäftigung mit dem Thema und die zügige Entwicklung von konkreten Anwendungsfällen sichert Wissens- und Wettbewerbsvorsprünge. Die Autorin beschreibt in diesem Beitrag die Quantum Journey der Deutschen Telekom, welche Phasen durchlaufen und welche konkreten Quantum Use Cases in der Branche der Telekommunikation entwickelt wurden.

Hat ein Unternehmen den strategischen Entschluss gefasst, sich mit Quantencomputing zu befassen, ist häufig folgendes Vorgehen zu beobachten: Zunächst wird ein Team aufgebaut, welches sich die notwendigen Kenntnisse zum Verständnis des Quantencomputings aneignet. Dann werden grundlegende Quantenalgorithmen analysiert und ihre Eignung für die Lösung einiger, für das Unternehmen relevanter Probleme evaluiert. Ist eines dieser Probleme identifiziert, für das der Einsatz von Quantenalgorithmen erfolgversprechend erscheint, soll eine entsprechende Anwendung realisiert werden. Dann aber stellt man fest, dass ein oder mehrere Quantenalgorithmen nicht die Lösung des Problems liefern, sondern dass diese Quantenalgorithmen mit klassischer Software ergänzt werden müssen. Damit ist ein anderes Problem im Vordergrund: Wie kann das Konglomerat dieser Quantenanwendung realisiert werden. In diesem Beitrag stellen wir dar, warum Quantenalgorithmen immer die Ergänzung durch klassische Software benötigen und was in der Praxis das Mittel der Wahl zur Integration von Quantenalgorithmen und klassischer Software ist. Ein systematisches Softwareengineering für Quantenanwendungen gibt es allerdings noch nicht.

Die in den letzten Jahren berichteten Entwicklungssprünge im Bereich der Quantentechnologien lassen den großflächigen Einsatz neuartiger, quantenbasierter Produkte greifbar erscheinen. Jüngste Ergebnisse, gerade von Quantencomputern, zeigen die enormen Potentiale und die möglichen Auswirkungen dieser Zukunftstechnologie, die für viele Wirtschaftsbereiche nicht mehr zu ignorieren sind. Für Unternehmen ergeben sich unterschiedliche Ansätze für eine Bewertung und auch für den möglichen Einstieg in dieses innovative Feld. Gerade Halbleiterunternehmen, mit ihrer Expertise für die Skalierung von Technologien und ihren vielfältigen komplexen Optimierungsproblemen, kommt dabei eine Schlüsselrolle zu. Von diesem Standpunkt aus gehen wir in diesem Kapitel nach einer allgemeinen Einführung sowohl auf die Bewertung wie auch den möglichen Einstieg im Detail ein und schließen mit konkreten Handlungsempfehlungen für die Ausarbeitung einer Quantentechnologiestrategie. Dabei fokussieren wir uns im gesamten Kapitel auf die Bereiche Quantencomputing und Quantensensing.

In diesem Kapitel werden die Besonderheiten der Strategieentwicklung im Bereich des Quantencomputing diskutiert. Es wird herausgearbeitet, dass es insbesondere für diversifizierte Unternehmen mit hinreichend komplexen Problemen in den Bereichen Forschung und Entwicklung, Produktion und Geschäftssteuerung große Potentiale, aber auch spezifische Herausforderungen durch die Spezifika dieser Technologie gibt, insbesondere wegen der hohen intrinsischen Unsicherheit bei gleichzeitig gewaltigem wirtschaftlichen Potential. Die Herausforderungen werden skizziert und es wird auf einen möglichen Lösungsansatz und die wichtigsten Schritte schlaglichtartig eingegangen, mit der die BASF SE die Fragen „warum“, „was“ und „wie“ beantworten konnte, um eine detaillierte, konkrete und langfristig orientierte Strategie für den Umgang mit Quantencomputing zu entwickeln.

Das Ziel der Pharmaforschung ist es, neue und bessere Behandlungsmethoden für Krankheiten zu finden und Patienten so ein besseres Leben zu ermöglichen. Zu einer dieser Aufgaben gehört beispielsweise die Entwicklung neuer Medikamente mit weniger Nebenwirkungen, aber vor allem die Erforschung gänzlich neuer Wirkstoffe für Krankheiten, für welche bislang keine Behandlung existiert. Viele der Wirkstoffe, vor allem oral einzunehmende Medikamente, sind kleine organische Moleküle, welche die Funktion eines Proteins beeinflussen, indem sie selektiv an dieses binden.

Quantentechnologien haben in den letzten Jahren in den Medien und bei den Investoren große Beachtung gefunden. Dies hat es für neue Unternehmen, die in diesen Bereich einsteigen wollen, erschwert, den aktuellen Stand des Marktes genau einzuschätzen und die unmittelbaren Auswirkungen auf ihre Branche zu erkennen. Als erster großer OEM, der sich mit den Anwendungen des Quantencomputers befasst, hatten wir bei der Volkswagen AG die einmalige Gelegenheit, den aufstrebenden Markt der Quantentechnologien frühzeitig zu untersuchen. Im Folgenden stellen wir unsere vorläufigen Arbeiten und Erkenntnisse im Bereich des Quantencomputings für konkrete industrielle Anwendungen vor und betrachten einige der spezifischen Anwendungsfälle, die uns bei der Einführung der Technologie leiten. Wir skizzieren unseren allgemeinen Ansatz bei der Bewertung dieser Technologie unter dem Gesichtspunkt der wirtschaftlichen Machbarkeit und beschreiben unsere Beteiligung an der rigorosen wissenschaftlichen Forschung auf diesem Gebiet.

Die Quantenphysik hat die heutige Technologielandschaft durch die Erfindung des Transistors geprägt. Es wird zwei neue Quantenrevolutionen geben, die sich nachhaltig auf die digitale Welt und die Wirtschaft auswirken werden. Erstens wird die Quanteninformatik neben ihren Anwendungen für künstliche Intelligenz, Chemie und Biologie, Finanzen und andere komplexe Problemlösungen auch in der Lage sein, bestehende digitale Sicherheitssysteme zu überwinden. Zweitens wird die Quantenkommunikation die Fähigkeiten des Quantencomputers vervielfachen und gleichzeitig Lösungen für die Kryptografie, wie die Quantenschlüsselverteilung (QKD), bieten.

Im weltweiten Wettlauf um die Entwicklung nützlicher Quantencomputer (QC) müssen diese Computer miteinander verbunden werden, damit sie Quanteninformationen austauschen können. Das Quanteninternet (QI) bietet diese Möglichkeit, indem es Quantenverschränkung nutzt und es Quantencomputern ermöglicht, neue Anwendungen der Quanteninformatik in den Bereichen der Rechengeschwindigkeit, des Datenschutzes und der Sicherheit zu erschließen. Da die derzeitigen Verschlüsselungsstandards Gefahr laufen, von Quantencomputern geknackt zu werden, ist der erste Schritt auf dem Weg zu einem QI die Einführung einer quantensicheren Verschlüsselung und Kommunikation durch Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, QKD). Da QKD-Produkte bereits im Handel erhältlich sind, werden derzeit QKD-Netze aufgebaut, auch mit staatlicher Unterstützung. Fortgeschrittenere Funktionen des QI werden durch die Verbindung von QCs durch Quantenverschränkung ermöglicht, sodass sie Quanteninformationen austauschen können. Dies wurde bereits in akademischen Umgebungen gezeigt und die Kommerzialisierung des QI steckt noch in den Kinderschuhen, hat aber das Potenzial, eine bahnbrechende Technologie für das Quantencomputing zu werden.

Das weltweite Rennen zum Bau eines Quantencomputers hat gerade erst begonnen. Besonders die USA und China investieren derzeit enorme Summen, um bei dieser disruptiven Technologie die Vorreiterrolle einnehmen zu können. Europa handelt hier weit weniger entschlossen und es besteht die reale Gefahr, die Chance für einen nachhaltigen Wirtschaftssektor zu verpassen. Wir wollen in diesem Kapitel argumentieren, dass Europa sich in diesem globalen Rennen behaupten muss, und durch die gegebenen Voraussetzungen, das auch kann. Wir werden zeigen, dass Quantencomputing wissenschaftlich gesehen eine europäische Erfolgsgeschichte ist und sich jetzt entscheidend, ob die Transformation hin zu einer ökonomischen Erfolgsgeschichte erfolgen wird.

Die mit dem Begriff Quantentechnologien bezeichneten Entwicklungen werden das Leben der Menschen im 21. Jahrhundert nach Ansicht der Experten maßgeblich beeinflussen und verändern. Schon die erste Quantenrevolution des 20. Jahrhunderts brachte uns Fortschritte wie Laser, Smartphone, Internet oder Satellitennavigation. Jetzt stehen wir vor der zweiten Quantenrevolution. Quantencomputer werden Lösungen für Probleme liefern, die mit klassischer Computertechnik nicht gelöst werden können. Dazu gehören die Entwicklung neuer Materialien, das Design neuer Pharmazeutika und die Optimierung von Prozessen bei Produktion, Logistik, Verkehr oder Energieversorgung. Die spezifischen Eigenschaften von Quantensystemen erlauben den Aufbau abhörsicherer Verbindungen, deren Sicherheit auf physikalischen Prinzipien beruht. Entsprechende Verfahren und Systeme werden unter dem Begriff Quantenkommunikation zusammengefasst. Darunter fallen die Quantenverschlüsselung, die Quantenschlüsselverteilung und zukünftig auch das sogenannte Quanteninternet. Die besonderen Eigenschaften von Quantensystemen eröffnen auch der Messtechnik und Sensorik völlig neue Möglichkeiten hinsichtlich Empfindlichkeit, Präzision und anderen Parametern. In der Medizin werden neue Bildgebungsverfahren die Untersuchung des Entstehens von Krankheiten möglich machen. Quantensensoren werden die hochgenaue Navigation von Fahrzeugen unterstützen und so das autonome Fahren ermöglichen. Die Möglichkeiten der verschiedenen Quantentechnologien sind so groß, dass sie technologie-, wirtschafts- und nicht zuletzt auch sicherheitspolitisch von hoher Relevanz sind. Der Wettlauf um die wissenschaftliche und industrielle Führungsrolle, Wettbewerbsfähigkeit, technologische Souveränität und strategische Autonomie im Bereich der Quantentechnologien zwischen den Industrienationen sowie der Wettbewerb zwischen den Unternehmen verschärft sich entsprechend.

Quantumcomputing ist ein Thema für den Vorstand. Die Vorstände sind sich dessen jedoch nicht bewusst, abgesehen von einigen wenigen, dokumentierten Fällen. Spielt das eine Rolle, auch wenn Milliarden von Dollar in die Industrie fließen, Universitäten ihre Lehrtätigkeit ausweiten und Regierungen ihre immer größeren Beiträge bekannt machen? Ja, das tut es. Ohne die Zustimmung der Vorstände von börsennotierten und nichtbörsennotierten Unternehmen werden Experimente zurückgehalten, es gibt weniger praktische Anwendungsfälle, und dem Fortschritt in der Quantenökosphäre fehlt die Feuerkraft des privaten Sektors, abgesehen von spezialisierten Risikokapitalfirmen. Es gibt eine Reihe von Hindernissen, die die Gremien davon abhalten, die Quantenforschung ernst zu nehmen. Diese reichen von mangelnden Kenntnissen bis hin zu der Auffassung, dass es sich um eine rein technische Angelegenheit handelt, die kaum Auswirkungen auf Unternehmen als Ganzes hat. Das größte Hindernis ist jedoch der Mangel an Zeit. Die Pandemie, die Regulierung, das geopolitische Risiko und die ökologische und soziale Governance (Environmental Social Governance, ESG) sind die zeitraubenden Prioritäten, die auf Vorstandsebene diskutiert werden.