Aus Quantenphysik wird „Technik fürs Leben“
12.02.2021
Die Quantentechnologie verschiebt die Grenzen des Möglichen, im Computing, aber auch in der Sensorik. Daraus kann eine europäische Erfolgsgeschichte werden. Vor allem geht es darum, den breiten praktischen Nutzen der Quanteneffekte zu heben – von der Entwicklung CO2-neutraler Antriebe bis hin zur neurologischen Diagnostik. An Anwendungen wie diesen arbeitet die Forschung von Bosch.
von Dr. Volkmar Denner
Einstein hatte sich über die Quantenphysik noch den Kopf zerbrochen, in Zukunft hilft Quantentechnologie bei der Diagnose von Alzheimer, Epilepsie und Parkinson. Das zeigt beispielhaft, wo Forschung und Entwicklung gut 100 Jahre nach den ersten Arbeiten über die absurd anmutenden Effekte von Wellen und Teilchen angelangt sind – Effekte, die wir bis heute schwer begreifen, wohl aber beherrschen können.
Jetzt können Unternehmen wie Bosch daraus technischen Nutzen ziehen, sogar „Technik fürs Leben“ entwickeln, die etwa Erkrankungen des Gehirns genau lokalisieren kann, und das einfacher und vor allem weit kostengünstiger als bisher. Die bahnbrechenden Fortschritte der Quantenphysik sind größtenteils in Europa erzielt worden. Wir müssen alles tun, damit aus der Quantentechnologie nicht nur eine amerikanische und asiatische, vielmehr auch eine europäische Erfolgsgeschichte wird.
Am Anfang war eine tote und zugleich lebendige Katze
Am Anfang der Quantenphysik standen Erkenntnisse über das paradoxe Verhalten kleinster atomarer Teilchen – paradox gemessen an der Erfahrungswelt von Newton und der klassischen Mechanik. Elektronen zum Beispiel können mit einer Messung ihren Zustand verändern. Das wurde mit Begriffen wie Unschärferelation und Überlagerung erfasst, in einem berühmten Gedankenexperiment des Physikers Erwin Schrödinger sogar mit einer Katze verglichen, die zugleich tot und lebendig sein kann.
Quantencomputer machen sich vor allem den Überlagerungseffekt zunutze. Und das heißt: Sie arbeiten nicht mehr mit Bits, die entweder Null oder Eins sind, sondern mit Qubits, die auch beliebige Überlagerungszustände von Null und Eins annehmen können. Damit sind sie in der Lage, bei bestimmten Aufgaben jeden Hochleistungscomputer zu schlagen.
Interessant für Bosch: die Simulation neuer Materialien bis in die atomare Struktur, die selbst mit bisherigen Superrechnern nicht möglich ist.
Mit Quantencomputern zu CO₂-neutralen Antrieben
Noch aber sind Quantenrechner von der industriellen Anwendung einige Jahre entfernt. Dennoch sollte Europas Industrie, wenn sie denn übermorgen technologisch souverän sein will, eine eigene Hardware-Plattform fürs Quantencomputing etablieren. Und vor allem muss sie frühzeitig Anwendungen erschließen. Interessant für Bosch: die Simulation neuer Materialien bis in die atomare Struktur, die selbst mit bisherigen Superrechnern nicht möglich ist. Daraus könnten zum Beispiel neue Katalysatormaterialien hervorgehen, die im Ergebnis den Einsatz von Edelmetallen in Brennstoffzellen-Systemen deutlich reduzieren. Dies wäre ein großer Sprung in der Entwicklung CO2-neutraler Antriebe – ein Quantensprung, würden viele sagen, wenn Quanten in der Physik nicht die kleinsten aller Sprünge wären.
Mit Fehlern im Diamanten zur Diagnose von Parkinson
Auch wenn im Quantencomputer ein großes disruptives Potenzial steckt, Quantentechnologie ist weit mehr. Quantensensorik zum Beispiel kann helfen, wo Medizindiagnostik an Grenzen stößt. Auch daran forscht Bosch. Der zugrundeliegende Effekt ist so verblüffend wie so vieles in dieser besonderen Art der Physik. Es sind Fehler im Diamanten, die bei Messungen zu einer bisher nicht dagewesenen Genauigkeit führen. Wenn ein Diamant rein ist, dann besteht er aus nichts als Kohlenstoff. An den Fehlstellen aber steckt ein Stickstoffatom, und daneben fehlt ein Kohlenstoffatom. Und genau diese Stellen sind hochsensibel gegenüber winzigen Veränderungen von Magnetfeldern, wie sie etwa bei neuronalen Erkrankungen auftreten. Damit wird die Entwicklung von Quantensensoren möglich, die in den nächsten Jahren die Diagnose von Alzheimer, Epilepsie und Parkinson auf eine neue Stufe heben können – genauer, einfacher und nicht zuletzt kostengünstiger denn je.
Die Revolution der neurologischen Diagnostik
Konkret geht es bei solchen Erkrankungen darum, die betroffenen Gehirnareale so exakt wie möglich zu lokalisieren. Das gelingt bisher nur mit supraleitenden Magnetfeldsensoren, die mit flüssigem Helium auf minus 269 Grad Celsius heruntergekühlt werden müssen. Die entsprechenden Systeme sind aufwändig in jeder Hinsicht – groß und beengend für die Patienten, extrem teuer und daher selten in den Krankenhäusern. Die künftigen Quantensensoren dagegen funktionieren auch bei Raumtemperatur, sie kommen ohne Kühlung aus, und damit lassen sie sich etwa in einem leichten Helm unterbringen. Noch ist ihr Aufbau in den Labors von Bosch größer als ein Laptop, daraus wird eine Leiterplatte werden – und im Zuge der Miniaturisierung vielleicht ein Chip, nicht teurer als wenige Euro. Eine Revolution der neurologischen Diagnostik zeichnet sich ab.
100mal genauer als mikromechanische Sensoren
Das Internet der Dinge wird quantensicher
Quantentechnologie wird noch mehr können. Kommen werden zum Beispiel Drehratensensoren nach dem Prinzip der atomaren Kernspinresonanz. Sie werden nochmals 100mal genauer sein als mikromechanische Sensoren – wichtig, um das hochautomatisierte Fahren sicher zu machen. Und kommen wird auch die Quantenverschlüsselung. Sie basiert auf physikalischen Effekten, die das Abhören von Informationen ausschließen. Die Schlüssel lassen sich zum Beispiel mit Zufallszahlen erzeugen, die aus der Reflexion oder der Transmission von Lichtteilchen in einem halbdurchlässigen Spiegel hervorgehen. Auch hier ist das Ziel die Integration auf einem Chip, um den Datenverkehr im Internet der Dinge quantensicher zu machen. Es sind nicht zuletzt Anwendungen wie diese, in denen Europa vorn sein kann.
Vor diesem Hintergrund ist es eine gute Nachricht, dass die Politik das Potenzial der Quantentechnologie erkannt hat. Die Bundesregierung hat dafür zwei Milliarden Euro in ihrem Konjunkturpaket reserviert. Und gerade erst hat ein Expertenrat aus Forschung und Industrie eine Roadmap zum Quantencomputing vorgelegt. Das ist ein wichtiger Schritt. Dabei muss es zu denken geben, dass China in den nächsten Jahren rund zehn Milliarden Euro für die Förderung der Quantentechnologie ausgeben will. Hier darf es nicht zu dem aus anderen Technologiefeldern bekannten europäischen Paradoxon kommen: dass Grundlagenforschung in Europa stattfindet, die Transformation in erfolgreiche Produkte aber allzu oft in anderen Weltregionen. Schon jetzt ist es bezeichnend, dass die EU in Sachen Quantentechnologie nach der Zahl der wissenschaftlichen Publikationen vor China und den USA liegt, nach der Zahl der Patente aber deutlich dahinter.
In Europa kommt es auf Kooperation an – zwischen Ländern, Wissenschaft und Wirtschaft
Was kann Europa tun? Auf Kooperation kommt es an – zunächst auf mehr Vernetzung zwischen den Forschungszentren der Mitgliedsländer. Verstärkt sollte Deutschland auch auf die Zusammenarbeit mit kleineren Ländern wie Österreich, den Niederlanden und der Schweiz setzen, die auf dem Feld der Quantentechnologie Erfolge vorweisen können. Vor allem aber gilt hier wie bei anderen Zukunftstechnologien: Wissenschaft und Wirtschaft müssen sich früher und intensiver als bisher vernetzen. Das heißt zum Beispiel: größere Anreize für Forscher an Universitäten, eben nicht nur zu publizieren, vielmehr auch die Zusammenarbeit mit der Vorentwicklung der Industrie zu suchen.
Und nicht zuletzt werden die industriellen Akteure untereinander kooperieren müssen. Dass Anfang Februar ein europäisches Quantenindustrie-Konsortium gegründet wurde, weist in die richtige Richtung. Industriepolitik wird dies begleiten und fördern müssen. Selten ist sie so unverzichtbar wie in der Quantentechnologie, die disruptive Markterfolge verspricht, aber noch einen langen Atem braucht.
In Zukunft werden Gedanken Maschinen steuern
Auf längere Sicht jedenfalls sollte Europa dabei sein, wenn Quantensensorik Gehirnströme so genau lokalisieren kann, dass sie nicht nur in der neurologischen Diagnostik zum Einsatz kommt, vielmehr auch in der Steuerung elektronischer Geräte. Sie wird in fernerer Zukunft Schnittstellen zwischen dem menschlichen Gehirn und Maschinen ermöglichen. Dann muss es keine Tastensteuerung mehr geben, auch keine Bildschirmsteuerung, nicht einmal eine Sprachsteuerung. Stattdessen können Maschinen unmittelbar das tun, was der Mensch denkt. Auch 100 Jahre nach Einstein können wir über die Effekte der Quantenphysik staunen, noch erstaunlicher aber wird der praktische Nutzen der Quantentechnologie sein.
Erstveröffentlichung im Handelsblatt am 12. Februar 2021
