Quantentechnologien verschieben die Grenzen des Möglichen
Technik mit einzigartigen Fähigkeiten: Bosch Research entwickelt Quantenalgorithmen, um Quantencomputer insbesondere für die Materialentwicklung bei Bosch und Quantensensoren für spezielle Anwendungsfälle der Zukunft nutzbar zu machen.
Die Welt im Kleinen funktioniert anders als die uns bekannte Welt im Großen. Sie zeigt die für uns überraschenden Quantenphänomene. Die technologische Nutzung dieser Phänomene ermöglichen uns die Quantentechnologien, zu denen das Quantencomputing, die Quantensensorik und die Quantenkryptografie gehören. Insbesondere Quantensensorik und Quantencomputing bieten ein großes Potenzial für industrielle Anwendungen und sind deshalb wichtige Forschungsfelder für Bosch.
Durch die ausgezeichnete Expertise in Quantenphysik, Mikroelektronik und MEMS-Technologie verfügt die Bosch Forschung über ideale Voraussetzungen, um die Entwicklung von Quantentechnologien für wichtige Anwendungen voranzutreiben. Wir bereiten den Boden für bahnbrechende Innovationen – beispielsweise für Quantensensoren, die die medizinische Diagnostik revolutionieren werden. Anhand von Algorithmen für das Quantencomputing wird es zudem möglich sein, neue Materialien, in denen Quanteneffekte eine zentrale Rolle spielen und konventionelle Simulationsansätze bisher fehlschlugen, adäquat zu simulieren.
Quantensensoren: Präzision, die neue Maßstäbe setzt
Bosch Research entwickelt besonders leistungsfähige Sensoren, die Quanteneffekte nutzen, um physikalische Messgrößen zu bestimmen. Dabei gibt es wesentliche Unterschiede zu konventionellen Sensoren wie zum Beispiel MEMS-Sensoren, Shunt-Widerständen oder Hall-Sensoren: Letztere nutzen makroskopische, messbare, oftmals auch direkt sichtbare Effekte. Bei einer konventionellen Uhr beispielsweise werden Schwingungen einer Feder zur Messung verwendet. Quantensysteme basieren dagegen auf quantenmechanischen Eigenschaften einzelner Atome, Photonen oder Elementarmagnete. Zusätzlich können sie Effekte nutzen, die in den klassischen Systemen nicht zur Verfügung stehen, sogenannte Quanteneffekte wie Überlagerung oder Verschränkung. Quantensensoren haben also im Vergleich zu konventionellen Sensoren mehrere Vorteile – unter anderem die sehr hohe Präzision und Reproduzierbarkeit.
Konkret entwickeln wir bei Bosch Research zwei Arten von Quantensensoren: zum einen sogenannte Quantenmagnetometer zur Messung von sehr kleinen Magnetfeldern mit sehr hoher Präzision, zum anderen Quantengyroskope, also quantenbasierte Drehratensensoren, mit denen selbst minimale Drehbewegungen verfolgt werden können.
Quantenmagnetometer werden beispielsweise im Kampf gegen neurologische Erkrankungen von unschätzbarem Wert sein. Damit werden Medizinerinnen und Medizinerin der Lage sein, im menschlichen Gehirn Veränderungen von Magnetfeldern zu erkennen. So können Krankheiten wie Alzheimer und Parkinson in der Zukunft in einem viel früheren Stadium diagnostiziert werden – exakter, einfacher und kostengünstiger als bisher. Auch Prothesen können durch Magnetfeldsignale aus dem Teil des Gehirns, der für die Bewegung zuständig ist (Motorkortex), gesteuert werden. Dies ist eine spezielle Art der „Brain-Machine-Interface“. Doch nicht nur die Medizin wird die Quantentechnik revolutionieren.
In autonomen Systemen, wie beispielsweise bei Satelliten im All oder in der Robotik, werden die zweite Art von Quantensensoren, Quantengyroskope, Anwendung finden. Mit dieser Art von Quantensensoren können auch Drehbewegungen gemessen werden, die tausendmal langsamer sind als die des Stundenzeigers einer klassischen Uhr. Zudem erlauben sie eine hochpräzise Standortbestimmung – auch im All.
Mit diesen Innovationen baut Bosch seine führende Position in der Entwicklung von Sensoren für ausgewählte Anwendungen aus.
Quantencomputing: schneller und ressourcensparender zu neuen Materialien
Das zweite wichtige Forschungsfeld im Bereich der Quantentechnologien bei Bosch Research ist das Quantencomputing. Ein Bereich, in dem die Quantencomputer besondere Stärke zeigen, ist die Simulation von Materialien. Hier können Quantencomputer Aufgaben in Minuten oder Stunden lösen, für die herkömmliche Rechner Tage oder Wochen benötigen würden. Das spart Ressourcen, Zeit und Geld. Denn auch Materialien sind im Grunde Quantensysteme, ebenso wie die Quantencomputer selbst. Von diesem Umstand wird die Materialforschung stark profitieren. Neue Materialien für die Elektromobilität, beispielsweise zum Einsatz in Batterien und Brennstoffzellen, sowie neue Katalysatoren oder Sensormaterialien werden so sehr viel schneller entwickelt und chemische Prozesse zügiger optimiert werden können als bisher.
Ein weiteres Beispiel für die konkrete Anwendbarkeit von Quantencomputing in der Materialwissenschaft sind sogenannte Übergangsmetalloxide. Die Eigenschaften dieser Materialien lassen sich wegen der starken Wechselwirkung zwischen deren Elektronen auf konventionellen Rechnern bisher nur mit extremem Zeitaufwand oder teilweise gar nicht exakt berechnen. Aber auch auf anderen Gebieten zeichnet sich ab, dass Quantencomputer eine Verbesserung bringen könnten: zum Beispiel bei Aufgaben der Prozessoptimierung, bei konventionellen Simulationen und in der künstlichen Intelligenz (KI).
Geballte Quantenpower: Bosch setzt auf Zusammenarbeit – national und international
Quantentechnologien sind ein junges Forschungsgebiet. Bis sie ihr Potenzial voll entfalten können, ist noch viel Forschungs- und Entwicklungsarbeit notwendig. Quantensensorik wird wahrscheinlich binnen einer Dekade in größerem Ausmaß zum Einsatz kommen. Doch mit Technologieentwicklung ist es bei Weitem nicht getan. Anwendungen und Geschäftsmodelle müssen angepasst, ein schlagkräftiges Ökosystem von Quantentechnologie-Unternehmen aufgebaut, Wertschöpfungsketten etabliert sowie geeignete hochqualifizierte Fachkräfte gefunden oder ausgebildet werden – um nur einige Aspekte zu nennen. Wir sind von der großen Zukunft der Quantentechnologien überzeugt. Daher hat Bosch 2022 ein eigenes Start-up für die Industrialisierung von Quantensensorik gegründet.
Bosch setzt sich zudem dafür ein, dass Deutschland und Europa sich als starke Akteure in der Quantentechnologie behaupten. Dazu arbeiten wir in der Forschung mit diversen Partnern zusammen und wirken in nationalen und internationalen Projekten und Gremien mit. Bosch ist Gründungsmitglied des European Quantum Industry Consortium (QuIC) und stellt dort einen von zwei stellvertretenden Vorstandsvorsitzenden. Vertreten durch die Bosch Forschung sind wir ebenfalls Gründungsmitglied des deutschen Quantum Technology and Application Consortium (QUTAC) und auch dort sehr aktiv. Außerdem ist Bosch Partner in mehreren öffentlich geförderten Projekten, sowohl auf europäischer Ebene als auch in Deutschland. 2022 hat Bosch eine Kooperation mit IBM auf dem Gebiet des Quantencomputing gestartet, bei der die Materialsimulation nachhaltiger Materialien für Elektromobilität im Vordergrund steht. Bosch Research entwickelt hierfür die Quantenalgorithmen und testet sie auf der cloudbasierten Quantencomputing-Flotte von IBM. So sollen künftig die Eigenschaften neuer Materialien auf eine Weise bestimmt werden, die mit herkömmlichen Computern weder hinsichtlich der Rechenzeit noch der Speicheranforderungen machbar wäre.
