20.04.2019

Quantentechnologie: Das werden die 4 größten Usecases

Rainer Blatt, Direktor des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation an der Universität Innsbruck, gilt als einer der weltweit renommiertesten Wissenschaftler im Bereich der Quanteninforma­tion. Für den brutkasten gab er einen Ausblick auf vier künftige Anwendungsbereiche dieser Technologie und wann diese unser Leben disruptiv verändern werden.
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Quantentechnologie
(c) IQOQI / C. Lackner

Rainer Blatt, dem heutigen Direktor des weltweit renommierten Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation an der Universität Innsbruck, ist es 2004 gelungen, zum ersten Mal Quanteninforma­tion zu teleportieren. Heute arbeitet er mit den Quantentechnologie-Fachkollegen Peter Zoller und Thomas Monz an der Realisierung des Quantencomputers. Sein Institut betreibt Rechner mit im internationalen Vergleich extrem hohen Qubits-Anzahlen und ist in Sachen Fehlerkorrektur-Forschung an der Weltspitze.

+++ Quantencomputing: Europa wittert eine Chance im globalen Wettlauf +++

Dass Quantencomputer selbst zwar ein großer Teil Blatts Forschung sind, keinesfalls aber alleine im Mittelpunkt stehen, liegt an drei weiteren Kerntechnologien, die laut Blatt – auch die Europäische Union sieht das in ihrem Quanten-Manifest so – zuerst umgesetzt werden sollten: Quantenkommunikation, Quantensimulation und Quantensensoren werden unsere Welt gravierend verändern. Dies noch bevor die Computer in prognostizierten zehn bis 15 Jahren zur totalen Disruption führen werden.

1. |Die Kommunikationsrevolution: Absolut sichere Datenübertragung durch Quantentechnologie

„Wir sehen heute schon Firmen in den USA und in Europa, die Geräte zur Quantenkommunikation verkaufen“, erklärt Rainer Blatt. Diese Geräte würden Quantenkommunikation nutzen, um Nachrichten besonders sicher zu übertragen. Der Grund: Liest eine dritte Stelle Daten während der Übertragung aus, werden diese unausweichlich sofort zerstört – eine inhärente Eigenschaft der Technologie.

„Ein noch nicht mögliches, aber nächstes Ziel ist es, die Quantenkommunikation über lange Strecken verfügbar zu machen“, sagt Blatt. Die Schwierigkeit dabei: „Die verwendeten Lichtleitfasern sind zwar sehr transparent, aber über lange Strecken werden heute auch für die herkömmliche Datenübertragung ca. alle 100 Kilometer Verstärkerstrecken eingesetzt. Verstärken heißt aber, sie müssen die Information, die ankommt, lesen, verstärken und weitergeben. Das funktioniert mit Quanteninformation nicht, weil sie beim Lesen zerstört wird.“

Deswegen verlange diese Technologie nach sogenannten Quantenwiederholern, also „Stationen, die wie ein kleiner Quantencomputer funktionieren. Sie nehmen Information entgegen und geben diese mithilfe von Verschränkungsprotokollen weiter.“ Gelingt es, dies technisch umzusetzen, wird die globale, absolut sichere Datenübertragung kommen. In fünf bis zehn Jahren sollen so Quanten-­Netzwerke zwischen großen Städten möglich sein. Der Entwicklungsplan der Europäischen Union sieht dabei auch erste Kreditkartensysteme auf uns zukommen, die auf dieser Technologie basieren. Ein europäisches Internet, das klassische und Quantenkommunikation miteinander verbindet, lässt laut Quan­ten-Timeline des offiziellen EU-Manifests noch über zehn Jahre auf sich warten.

2. | Sensoren für Zeitmessung: Kurzfristig das größte Anwen­­­dungspotenzial

„Schon heute beruht ein Großteil der Messtechnik auf atomaren Messungen, insbesondere die Messung der Zeit. Die Sekunde ist festgelegt als ein Neunmilliardstel einer Schwingung eines Cäsium-Atoms“, meint Blatt und gibt Ausblick auf die disruptive Kraft der Quantentechnologie. „Diese Messungen werden in Zukunft auf optische Schwingungen übertragen. Wir können dann Zeiten mit einer unvergleichlichen Präzision von bis zu 16 Stellen hinter dem Komma messen.“

Quanten-Glasfaserkommunikation, Navigation im Weltall und viele andere Gebiete, die auf extrem genauer Zeitmessung basieren, werden damit riesige Entwicklungsschritte machen. „Für meinen persönlichen Geschmack wird dieses Thema in der öffentlichen Diskussion viel zu sehr vernachlässig“, so Blatt: „Ich bin der Meinung, dass vor allem die Quantenmesstechnik in den nächsten Jahren viel mehr Anwendung finden wird als alle anderen Technologien.“

Quantensensoren für Schwerkraft oder Magnetismus sind heute kurz vor der Markteinführung. Navigationssysteme, die auf der Technologie beruhen, sollen laut EU-Plan in fünf bis zehn Jahren in handlichem Format erhältlich sein. Bis zur Integration im Handy dürfte die Technologie noch mehr als zehn Jahre brauchen. Eine Schätzung scheint hier schwierig.

3. | Material und Medikamente: Völlig neue Festkörper und chemische Verbindungen simulieren

„Wenn Sie Materialeigenschaften mittels Quantenmechanik studieren wollen, dann stellen Sie fest, dass Sie bereits bei 40 Atomen am Ende der Fahnenstange angelangt sind, selbst mit den besten Supercomputern dieser Welt. Aber: Die meisten Materialien bestehen aus mehr als 40 Atomen.“

Die Lösung liegt in der Quantensimulation: „Sie geben 40 richtigen Atomen genau jene Eigenschaften, die sie brauchen und lassen sie auf vorbestimmte Art und Weise wechselwirken. Die Phänomene, die sie dabei studieren können, kann kein Computer ausrechnen.“ So werden sich in den nächsten fünf bis zehn Jahren komplexe Materialien mit disruptivem Nutzen in allen Industrien entwickeln. Auch die Arzneimittelherstellung soll davon gravierend profitieren.

4. | Quantenrechner überholen klassische Computer: „Das wird in den nächsten 10 oder 15 Jahren sicher passieren“

Blatts Vision: „Computer werden durch Quantencomputer ersetzt.“ Sie kommunizieren über ein ultrasicheres Netz von Lichtleitungen, sie bauen auf die exaktest mögliche Zeitmessung und nutzen die gleichen Effekte wie die Quantensimu­lation. Die Quantencomputer haben das Potenzial – auch nach den Plänen der EU –, die größte Technologierevolution der Menschheitsge­schichte zu werden.

„Digitale Quantencomputer sind Maschinen, die mit Quantenhilfe über programmierte Schaltkreise echte Re­chenprobleme lösen können“, erklärt Blatt und beschreibt den technologischen Hintergrund: „Dazu müssen alle Rechenoperationen in sogenannte Gatteroperationen zerleget werden. Da sind wir noch nicht so weit, dass wir klassische Computer in ihrer Leistungsfähigkeit schlagen können. Aber: Wir sehen die Probleme und verstehen sie.“

Jetzt muss noch eine Reihe technischer Entwicklungen gemacht werden, bevor man die klassischen Computer abhängen kann. „Das wird in den nächsten 10 oder 15 Jahren sicher passieren“, meint Blatt. Die Auswirkungen auf Anwendungen der Optimierung, Big-Data-Analysen, Machine Learning und künstliche Intelligenz sowie Bilderkennung werden dabei am stärksten spürbar sein.


Dieser Beitrag erschien in gedruckter Form im brutkasten Print-Magazin #8 “Quantensprünge”.

⇒ zur Page des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation

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Martin Ohneberg am World Venture Forum in Kitzbühel | (c) brutkasten

Beim World Venture Forum in Kitzbühel hielt Martin Ohneberg auf Einladung von Initiator Berthold Baurek-Karlic die Rede zum Gala-Dinner: über Europa im globalen Kontext. Seine Botschaft, die er im brutkasten-Gespräch wiederholt: Europa hat kein Ideen-, sondern ein Umsetzungs- und Kapitalproblem. Und: „Wir reden nicht von einer Krise, sondern von einer Transformation.“ In der Transformation bringe Warten nichts.

Ohneberg weiß, wovon er spricht. Der Vorarlberger Industrielle übernahm 2011 die HENN Gruppe und baute den Verbindungstechnologie-Spezialisten zum Nischen-Weltmarktführer bei Ladeluft-Schnellkupplungen für die Automobilindustrie aus – eine Position, die das Unternehmen bis heute hält. Während die Branche mitten in einer schmerzhaften Transformation steckt, richtet er seine Gruppe nun auf einen Megatrend aus, der von KI-Rechenzentren bis zu humanoiden Robotern reicht: Kühlung.

Im Gespräch mit brutkasten erklärt Ohneberg, warum Europa beim Thema Souveränität den letzten Moment erreicht hat, weshalb das Self-driving Car der echte Game Changer wird und was passieren muss, damit der Kontinent nicht zum reinen Anwender fremder Technologien wird.


brutkasten: In deiner Rede beim World Venture Forum hast du die Formel „Europe discusses, America decides, Asia acts“ aufgegriffen. Gleichzeitig läuft gerade die Debatte um Europas digitale Souveränität. Ist da ein Momentum?

Martin Ohneberg: Wenn Europa jetzt beim Thema Souveränität nicht aufwacht, wird es ganz schwierig. Ich glaube, es ist der letzte Moment. Das wurde erkannt, der Draghi-Report hat seinen Teil dazu beigetragen. Jetzt muss gehandelt werden. Die Frage ist: Haben wir noch eine Chance, das Ruder herumzureißen? Die Gefahr ist, dass wir vom Land der Innovation und der Produktion zum Land der Anwender werden. Und leicht wird das nicht: Kapital ist der Rohstoff der Zukunft. Wenn man sich den Börsengang von SpaceX anschaut, sind das Dimensionen, da können wir in Europa nicht mit. Wir haben tolle Ideen und viele tolle Startups. Aber wenn man anschaut, wo sie skalieren und wo sie das Geld holen, ist es dann doch Amerika.

Was muss auf europäischer Ebene passieren? Sollte die öffentliche Beschaffung etwa gezielt europäische Lösungen bevorzugen?

Man kann das leicht sagen, aber es ist diffiziler, als oft geglaubt wird. Unsere Abhängigkeiten sind in vielen Technologien und bei seltenen Erden inzwischen so groß, dass es extrem schwierig ist, sich stärker gegen andere Nationen aufzustellen. Dazu fehlt die Geschlossenheit: 27 Länder, jeder agiert selbst, Frankreich anders als Deutschland. Natürlich macht es Sinn, die europäische Wirtschaft stärker zu schützen. Aber die eigentlichen Probleme liegen tiefer: Wir haben keinen einheitlichen Kapitalmarkt, weshalb das Geld, das in Europa durchaus vorhanden ist, hauptsächlich nach Amerika geht. Die Bürokratie ist überbordend. Und wir müssen wegkommen von den Überschriften, ob das jetzt Green Deal heißt oder Industrial Acceleration Act, und in die Umsetzung kommen. Europa ist prädestiniert für tolle Strategien und Visionen. Am Ende mangelt es an der konsequenten Umsetzung.

Woran scheitert die?

Wir haben tolle Universitäten, Innovationen, eine starke Industrie. Aber wir bringen es nicht auf die Straße, weil Europa ein zu komplexes Gebilde ist. Allein die Geschwindigkeit: Bis etwas durch Parlament und Kommission ist, vergehen im Schnitt rund 18 Monate. Bis es in Kraft tritt, reden wir von zwei, drei Jahren. Wir sind aber in einer Zeit angekommen, in der Speed der Key ist. Es passieren ja Dinge, aber sie passieren halt außerhalb Europas. Das ist eigentlich das Thema. Die Konsequenz: Bei uns wird gegründet und entwickelt, skaliert wird in Amerika. Und dann importieren wir die Produkte wieder, die wir selbst erfunden haben.

Du bist mit HENN Zulieferer der Automobilindustrie. Bei VW und anderen ist enormer Druck im System. Wie nimmst du die Lage wahr?

Das, was jetzt in Europa passiert, ist meiner Ansicht nach erst der Beginn. Da wird noch mehr kommen. Vor ein paar Jahren hat man für diese Zeit von 125 Millionen produzierten Autos weltweit gesprochen, wir sind jetzt bei rund 90 bis 92 Millionen. Global wird wenig Wachstum vorhanden sein, dafür kommt ein massiver Verdrängungswettbewerb zwischen den Regionen, der nach aktuellem Stand zugunsten Asiens ausgehen wird. Wichtig ist mir die Unterscheidung: Wir reden nicht von einer Krise, sondern von einer Transformation. Eine Krise geht vorbei, ob Corona, Suezkanal oder Energiepreise. Die Transformation bleibt. In der Krise kannst du durchtauchen, in der Transformation bringt Warten nichts. Du musst handeln und gestalten.

Du siehst den nächsten großen Schub bei Self-driving Cars. Warum ausgerechnet dort?

Weil sich die Mobilität damit noch einmal fundamental verändert. Beim E-Auto ist der Customer Benefit de facto der Ausstieg aus fossilen Brennstoffen. Das ist ideologisch, ob das ein riesiger Kundenvorteil ist, kann man diskutieren. Das Self-driving Car hat den echten Customer Benefit: Ich muss nicht mehr selbst fahren und kann jederzeit einsteigen. Wenn man sich anschaut, was Waymo, Huawei und andere schon auf der Straße haben und welche Datenmengen dort täglich generiert werden, kann man sich vorstellen, wie schnell das gehen wird. Für die Zulieferindustrie heißt das: extreme Standardisierung und Konsolidierung. Autos werden modular. Man kauft künftig ein „Skateboard“ mit vier Rädern, Batterie und integrierter Software, das Self-driving-Modul wird eingeschoben wie früher das erste Navi ins Auto. Und es wird die Foxconns geben, die das komplette Modul fertigen.

Wie stellt sich HENN darauf ein?

Wir kommen aus einer Nische, in der wir bis heute Weltmarktführer sind, der Ladeluft, und transformieren uns in einen Markt, der groß, aber extrem kompetitiv ist. Wir sind de facto in einem Red Ocean unterwegs. Deshalb richten wir die Gruppe stark auf den Megatrend Kühlung aus. Überall, wo verstärkt Elektrizität eingesetzt wird, braucht es Kühlung, und künftig immer öfter Wasserkühlung, weil die Leistungen so hoch sind. Die Rechenzentren, die jetzt gebaut werden, müssen alle wassergekühlt werden. Das ist unser Heimspiel: Da haben wir erste Anwendungen, Prototypen und intensive Gespräche. Dazu kommen Renewables wie Windkraft. Und humanoide Roboter, die aktuell noch luftgekühlt sind, künftig aber ebenfalls wassergekühlt werden müssen.

Stichwort Humanoide und Physical AI: Hat Europa dort überhaupt eine Chance?

Die Voraussetzungen wären da: Wir haben die Ingenieure, die klassische Industrie, hohe Innovationstätigkeit. Und die Notwendigkeit ist hundertprozentig gegeben: Demografisch müssen wir in Automatisierung und Robotik investieren, Punkt. Aber aktuell passiert wieder fast alles außerhalb Europas. Wenn Europa Souveränität ernst nimmt, muss spätestens bei den Humanoiden sichergestellt sein, dass es ein europäisches Produkt gibt, weil der Vergleich zum Menschen so nahe ist. Wenn China, die USA oder andere unsere Humanoiden in den Produktionshallen steuern, weiß ich nicht, ob das so angenehm ist. Es gibt positive Schritte wie die große Finanzierungsrunde von Neura Robotics mit Partnern wie Bosch und Schaeffler. Aber das Kapital fließt insgesamt wiederum nicht nach Europa. Die große Frage wird sein: Wie hoch ist unser Wertschöpfungsanteil? Dass wir anwenden werden, davon bin ich überzeugt. Ob wir ein eigenes Ökosystem aufbauen können, das entscheidet sich jetzt.

Zum Abschluss: Was gibst du Gründer:innen mit, die jetzt starten?

Es gibt nichts Besseres, als Unternehmer zu sein. Das ist die Champions League der Wirtschaft. Es kann jeder Unternehmer werden. Man braucht den Mut zu sagen: Jetzt mache ich den Sprung. Und dann Konsequenz. Aber es muss klar sein: Eine Unternehmerkarriere hat immer Höhen und Tiefen. Der Unternehmer ist der Einzige, der wirklich Risiko nimmt. Er ist bis zum Schluss auf dem Schiff.

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