Die Geheimnisse der Quantentechnologie rückten mit der Verleihung des Nobelpreises für Physik an Prof. Anton Zeilinger in den Mittelpunkt des öffentlichen Interesses. Aber schon 2005 sagte Zeilinger: „Wenn wir die Quantenphysik eines Tages wirklich verstanden haben, wird das noch revolutionärer sein als die Leistungen von Kopernikus und Kolumbus – und zwar für alle, nicht nur für uns Physiker.“

Quantencomputing made in Austria

Ein wichtiger Motor dieser Entwicklung ist Dr. Thomas Monz von AQT (Alpine Quantum Technology). Er referierte im Frühjahr 2023 im Rahmen der A1 Veranstaltungsreihe „OneTEC FutureShots“ zum Thema „Quantum Computing - Made in Austria“. Monz zeigte damit nicht nur, wohin die Reise geht – es gibt verschiedene Richtungen in der Quantenforschung und -technologie –, sondern auch, welche praktischen Anwendungsfälle damit verbunden sein können. Einer der vielversprechendsten Ansätze für Quantencomputing basiert auf dem Einfangen einzelner geladener Atome und deren Manipulation mit Laserpulsen. AQT kommerzialisiert solche Systeme und hat Anwendungen demonstriert, die von der Generierung von Zufallszahlen über die Optimierung von Portfolios bis hin zur Risikoanalyse reichen. Diese Modelle könnten auch beispielsweise zur Evaluierung der Kostenoptimierung für Kunden oder zur Bewertung kritischer Infrastrukturen im Hinblick auf die erforderliche Redundanz herangezogen werden.

Vorausschauen mit den OneTEC FutureShots

Doch zunächst Grundsätzliches, und auch darum geht es bei den OneTEC FutureShots: „Die Zukunft ist für mich das Wissen, dass es etwas gibt, wo du nicht weißt, wie es geht oder sogar was es ist – aber es spricht nichts dagegen, dass man es haben könnte. Vielleicht nicht auf einmal, aber Schritt für Schritt“, illustrierte Monz. „Das alte Wähltelefon der Oma würde die Nichte heute wohl überfordern. Dafür kann man mit dem Handy auf das Wissen der Welt zugreifen.“ A1 Gastgeber und Security-Experte Wolfgang Schwabl hielt fest: „Zukunft heißt, vorauszusehen, was auf uns zukommt – was können wir gestalten, was nicht, aber immer zum Wohle der gesellschaftlichen Entwicklung.“

Lernen von der Wellenmechanik

Ein Schlüssel dazu ist eben die Quantenmechanik, die man auch „Wellenmechanik“ nennen kann. Wo liegt der Unterschied zum normalen PC? „Wir hören Schallwellen beim Reden. Ein Türstock hat eine Wellenmechanik. Diese überträgt sich weiter auf kleinste Bausteine. Die Wellenmechanik beschreibt dazu Formen von Molekülen. Ein Computer mit Wellenmechanik kann andere Fragen lösen oder es zumindest probieren. Man muss sich das wie in einem Windkanal-Test bei einem Fahrzeug vorstellen“, versuchte Monz praktische und anschauliche Bilder zu zeichnen. Doch wozu braucht man die Quantentechnologie überhaupt? „Die Taktfrequenz bzw. Rechenleistung von CPUs ist eigentlich seit vielen Jahren nahezu gleichgeblieben. Die Prozessoren sind nicht wirklich schneller geworden. Aber wir haben heute neue Probleme, die man mit herkömmlichen Rechnern nicht lösen kann.“ Hochleistungsrechner seien nötig, um Fragen und Weiterentwicklungen in Chemie und Physik – beispielsweise am CERN – zu lösen. Derzeit, so Monz, erhöhe man die Rechnerleistung, indem man mehrere CPUs zusammenhänge. Doch das hat Limitationen, auch die Frage des Energieverbrauchs beschäftigt die Betreiber von solchen Hochleistungsstrukturen, wie sie etwa der Vienna Scientific Cluster bietet und wie sie von Forschern benötigt werden. Daher nutzt man chemische Eigenschaften, Moleküle, Atome oder Ionen zur Entwicklung von neuen Systemen – den Quantencomputern.

Riesige Marktchancen

Und glaubt man den Experten von Boston Consulting, eröffnen sich hier bis 2035 enorme Marktchancen: Rund 500 Mrd. USD soll der Quantentechnologie-Markt dann erwirtschaften. Solche Zahlen sind natürlich mit Vorsicht zu genießen. Aber Thomas Monz hat gute Argumente parat, dass es möglich ist: Logistiksteuerung, Empfehlungen im Sinne von Werbung, Halbleiterfertigung und Chiplayout, Portfoliooptimierung auf unterschiedlichen Ebenen bzw. die Analyse verschiedener Effekte nach Maximal- und Minimalchancen (etwa bei Anlagen), und das unter verschiedenen Rahmenbedingungen – schon hier steigen viele aus. Der Quantenrechner fängt da erst an, seinen Job zu tun. Weitergedacht, lassen sich die technologischen Vorteile auch in Fragen der Sicherheit, beispielsweise in der Identifizierung von Cyberattacken, nutzen. Später soll es möglich sein, in der Produktentwicklung durch Simulationen unterschiedlichste Lösungsansätze zu hinterfragen – etwa in der Konzeption neuer Batterien für E-Autos.

EU bekennt sich zu Quantencomputing

Noch ist vieles im Werden. Es gibt laut Monz nach wie vor Probleme bei der Hard- und Software. Aber: Die Entwicklung läuft auf Hochtouren. „Die EU will für die Quantentechnologie eine halbe Mrd. Euro für die Entwicklung in die Hand nehmen“, illustriert Monz. Er selbst arbeitet auf der Ionen-Ebene. Hier gilt sein Team als führend, auch im globalen Vergleich. „Noch ist der Quantenrechner nicht unbedingt schneller als der klassische PC“, sagt er, „aber er ist in der Lage, andere Rechnungen zu lösen und mehr und besser zu skalieren.“ Und genau das heißt: Die Zukunft mitgestalten! Nun gehe es darum, die nach wie vor vorhandenen Fehler in den Quantencomputer-Systemen auszumerzen und die Technologie voranzubringen. „In der Ionen-Technologie sind wir in Österreich führend“, bekräftigt er. Im Bereich Quantencomputing über Photonen sind die Chinesen stark, bei Silizium die Japaner, bei den NV centers sind die Deutschen vorne, auf der Atom-Ebene wiederum die Amerikaner. „Doch unsere kleine Universität in Innsbruck kann mit Google mithalten, weil wir seit Jahren daran arbeiten“, meint Monz. Erste Ansätze gab es schon 1995.

Vieles läuft schon im Hintergrund

Heute gibt es bereits Anwendungen, die im Hintergrund vieles bewirken können. Beispielsweise Risikoanalysen über Quantencomputer für Versicherungen, aber auch die Frage, wie sich in bestimmten Netzwerken der Ausfall eines Teilnehmers auswirken kann. Das gilt für internationale Bankennetzwerke ebenso wie für Mobilfunknetze oder das Stromnetz. Jeder Ausfall eines Teils bewirkt weitere Herausforderungen. Selbst zur Standortfrage kann Quantentechnologie beitragen, etwa wenn es darum geht, ob man in gewissen Regionen ein weiteres Krankenhaus benötigt oder auch, ob es genügend Antennen im 5G-Netz gibt. Übrigens: A1 setzt die Quantentechnologie bereits in einer „Mini-Mini-Version“, wie es Wolfgang Schwabl nennt, ein. Und zwar im Rahmen eines „Quantenzufallsgenerators“, der verwendet wird, um die Geheimzahlen der SIM-Karten zu generieren.