Quantentechnologien

Abenteuer Zukunft – es hat begonnen!

Webspecial zur Titelstory des Fraunhofer-Magazins 4.2019

Willkommen in der Welt der Quanten, wo nichts logisch, aber alles möglich scheint. Hier beginnt für uns die Reise in ein neues Zeitalter, in dem Quantentechnologien uns helfen, die Welt besser zu verstehen und zu organisieren. Fraunhofer bringt sie in die Anwendung.

 

Die Intuition kann sie nicht fassen. Albert Einstein, 1879 geboren, fand sie »spukhaft«. Doch nun erreicht die Quantenphysik die Lebenswirklichkeit. Selten waren sich Experten so einig, dass Quantentechnologien zum »Game Changer« werden, zu einem Faktor, der die Welt verändert. Beispiel Medizin: Quantensensoren könnten bislang ungeahnte Einblicke in Gehirnfunktionen geben. Quantenoptische Verfahren die Diagnose von Krankheiten revolutionieren. Quantencomputer könnten neue Einblicke in die Wirkungen von Molekülen schaffen und dazu beitragen, Medikamente effizienter zusammenzusetzen und kostengünstiger herzustellen.

Wenn Quantentechnologien in die Anwendung kommen, sind die Möglichkeiten noch kaum absehbar, so gewaltig ist das Potenzial. Gibt es neue Chancen für das Klima, wenn sich die Veränderungen genauestens messen und vorherberechnen lassen? Welche neuen Produkte wird es geben, wenn sich Materialien schneller und günstiger entwickeln und prüfen lassen? Ist der Verkehrsstillstand in den Städten Geschichte, wenn Quantencomputer für jeden einzelnen die Fahrwege optimieren? Wird es abhörsichere und souveräne digitale Infrastrukturen für Wirtschaft und Privatpersonen geben?

Die Erwartungen sind gigantisch, die Einsätze groß. Bis 2022 stellt die Bundesregierung 650 Millionen Euro für die Erforschung von Quantentechnologien zur Verfügung. Die EU fördert mit ihrer Quantum-Flagship-Initiative die europäische Forschung mit einer Milliarde Euro in den kommenden zehn Jahren. Und die Fraunhofer-Gesellschaft bringt zusammen mit dem US-Unternehmen IBM den ersten kommerziellen Quantencomputer als offene Forschungsplattform nach Europa. Bis Ende 2021 soll er vor Ort in Deutschland verfügbar sein. Professor Reimund Neugebauer, Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft, erwartet einen »entscheidenden Fortschritt für die deutsche Forschung und Unternehmen aller Größenordnungen«, und das »unter vollständiger Datenhoheit nach europäischem Recht«.

Video: Die Welt der Quanten

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      Quantencomputing

      IBM und die Fraunhofer-Gesellschaft, die führende Organisation für angewandte Forschung in Europa, gaben am 10.9.2019  eine Vereinbarung über eine Partnerschaft bekannt, die die Forschung auf dem Gebiet des Quantencomputings in Deutschland fördern und entscheidend voranbringen wird. Ziel ist es, die Kompetenzen und Strategien rund um das Thema Quantencomputing für die Industrie und anwendungsorientierte Verfahren voranzutreiben.

       

      Quantenkommunikation

      Digitale Souveränität und Datensicherheit sind grundlegende Voraussetzungen für eine funktionierende digitale Gesellschaft. Quantenkommunikation schafft eine neue Qualität der Sicherheit. Forschende entwickeln derzeit quantenbasierte Verschlüsselungsverfahren, die Datenleitungen künftig abhörsicher machen.

       

      Quantenimaging

      Weitreichende Auswirkungen auf alle Bereiche der Optik wird das Quantenimaging haben: In der biomedizinischen Bildgebung und medizinischen Diagnostik, der Sicherheitstechnik und der autonomen Mobilität schaffen Quanten Durchblick, wo bislang blinde Flecken sind.

      Quanten-KI

      Auf dem Sprint zur Quanten-KI

      Echte Sprunginnovationen liefern soll der Quantencomputer bei der künstlichen Intelligenz (KI). Durch die Verbindung der zwei Schlüsseltechnologien entsteht aktuell ein neues interdisziplinäres Forschungsgebiet: das Quanten-Maschinelle Lernen (QML).

       

      Quantensensorik

      Neue Chancen für die Medizin durch Quantensensorik

      Messen lässt sich in der Quantenwelt nicht nur mit Photonen, sondern auch mit Elektronen. Ein Forscherteam am Fraunhofer IAF in Freiburg entwickelt mit den kleinsten Teilchen genaueste Quantensensoren.

       

      Interview mit Professor Tünnermann, Fraunhofer IOF

       »Deutschland ist in einer sehr guten Ausgangsposition«

      Prof. Andreas Tünnermann leitet das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena und ist einer der führenden Köpfe im Bereich der Quantentechnologien bei Fraunhofer.

      Fraunhofer-Leitprojekte und Initiativen zum Thema Quantentechnologie

      Fraunhofer-Leitprojekt

      QUILT – Quantum Methods for Advanced Imaging Solutions

      Seit einigen Jahren konnten Quantenforscher eine Reihe wissenschaftlicher Durchbrüche erzielen. Ihnen gelingt es nun, exotische Quantenzustände gezielt zu erzeugen, sie zu manipulieren und in richtungsweisenden Experimenten disruptives Anwendungspotenzial zu demonstrieren. Wissenschaftler sprechen von einer »zweiten Quantenrevolution«, in der die Quantentechnologie zur Schlüsseltechnologie der modernen Informationsgesellschaft aufsteigen wird. Insbesondere im Bereich des Quantenimagings ist die Fraunhofer-Gesellschaft mit ihren Instituten und Partnern aus Wissenschaft und Industrie exzellent aufgestellt, diese Revolution proaktiv zu gestalten. Auf dieser Basis entwickelt QUILT neue Abbildungs- und Detektionsverfahren.  

      Fraunhofer-Leitprojekt

      QMag – Quantenmagnetometrie

      Die Freiburger Fraunhofer-Institute IAF, IPM und IWM wollen die Quantenmagnetometrie aus dem universitären Forschungsumfeld in konkrete industrielle Anwendungen überführen. Im Schulterschluss mit den Fraunhofer-Instituten IMM, IISB und dem Fraunhofer Centre for Applied Photonics CAP entwickelt das Forscherteam hochintegrierte und bildgebende Quantenmagnetometer mit höchster Ortsauflösung und optimierter Empfindlichkeit.

      QuNET – Abhörsichere Quantenkommunikation

      Im Rahmen der BMBF-geförderten Initiative QuNET werden die Fraunhofer-Gesellschaft, die Max-Planck-Gesellschaft und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt ein Pilotnetz zur Quantenkommunikation in Deutschland aufbauen, das der abhör- und manipulationssicheren Datenübertragung dient.

       

      Fraunhofer Strategisches Forschungsfeld Quantentechnologien

      Willkommen in der Quantenwelt

      Willkommen in der Quantenwelt

      Willkommen in der Quantenwelt

      Quantenphysik ist in unserem Alltag praktisch kaum erlebbar. Alles für uns direkt Erfahrbare – alle makroskopischen, größeren Dinge – gehorcht den Prinzipien der klassischen Physik. Doch im Kleinen, auf atomarer Ebene, werden diese auf den Kopf gestellt: Denn dort zeigen sich die Gesetze der Quantenphysik. Und die erscheinen nicht nur auf den ersten Blick merkwürdig: Elementarteilchen, Atome und Moleküle können sich wie Teilchen oder Wellen verhalten. Sie können sich überlagern und damit mehrere Zustände gleichzeitig einnehmen. Und sie lassen sich miteinander verschränken, so dass ein Teilchen immer die komplementäre Information zu seinem Zwilling besitzt – egal wo dieser sich befindet. Vor allem die Unsicherheit des Zustands eines Teilchens ist in der Quantenmechanik fundamental. Es befindet sich in einer sogenannten Superposition von verschiedenen möglichen Zuständen. Kurz: Nichts steht fest, aber alles ist möglich. Es geht also um Wahrscheinlichkeiten, genauer um Wahrscheinlichkeitswellen. Erst wenn man ein Teilchen beobachtet oder misst, weiß man, an welcher Position, in welchem Zustand es sich genau befindet – und zerstört damit gleichzeitig den Quantenzustand.

      5 Branchen, die Quantentechnologien künftig verändern könnten:

      Medizin und Gesundheitswesen

      Bessere Einblicke in biologische Prozesse, effizientere Entwicklung von Medikamenten, Verbesserung von Diagnoseverfahren

      Logistik und Verkehr 

      Optimale Verkehrs- und Logistikrouten, effizientere Standortentscheidungen z.B. für Lagerhäuser, Optimierung von Energienetzwerken

      Finanzbranche 

      Optimierung von Finanzportfolios, Risikoanalysen, Betrugserkennung und -prognose, sichere Kommunikation und Datentransfer z.B. für Onlinebanking

      Materialwissenschaften

      Simulation völlig neuer Materialien auf molekularer Ebene, schnellere Entwicklung, genauere Materialprüfverfahren

      IT und Sicherheit 

      Leistungsfähigere Rechner für bislang unlösbare Probleme, abhörsichere Kommunikationsnetze