QUANTENRADAR – Ein Technologie-Podcast des iit Institut für Innovation und Technik (iit)

Getrieben durch hohe staatliche und private Investitionen in Quantentechnologien in den vergangenen Jahren, steigt der Bedarf an Forschenden und Ingenieuren in den Bereichen Sensorik und Metrologie sowie Kommunikation und Computing – eine weltweite Talentlücke scheint sich zu bilden. Die Quantentechnologien 2.0, die auf der Kontrolle und Manipulation einzelner Quantensysteme basieren, werden mittlerweile an verschiedenen Universitäten in Deutschland als Masterstudiengang angeboten. Zusammen mit unserem Gast Prof. Dr. Artur Widera, der an der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern-Landau (RPTU) als wissenschaftlicher Direktor den im Wintersemester 2024/25 startenden Fernstudiengang „Quantum Technologies“ verantwortet, diskutieren wir über Quantentechnologien der zweiten Generation als Ausbildungsthema, inkl. Lerninhalten und Jobaussichten.

Die Begriffe Maschinelles Lernen und KI sind dieser Tage in aller Munde. Der technologische Fortschritt, Computer mit Blick auf das Lösen bestimmter Aufgaben zu trainieren, ist atemberaubend. Zum aktuellen Stand beim Trainieren von Quantencomputern sprechen wir in der neuen Podcastfolge mit dem theoretischen Physiker Daniel Scherer vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS. Wir diskutieren unter anderem, wie verschiedene Lernverfahren oder Algorithmen auf derzeit verfügbarer Quantenhardware implementiert werden und welche Herausforderungen und Perspektiven damit verbunden sind.

Lange Vision, heute Realität: Schon der Physik-Nobelpreisträger aus dem Jahr 1965 Richard Feynman plante einen Quantensimulator zur Untersuchung komplexer Quantenmaterie. Dies ist mit Hilfe von ultrakalten Atomen in optischen Gittern möglich: Mit Laserstrahlen können künstliche Lichtkristalle erzeugt werden, die Atome in einem Gitter aus mikroskopischen Lichtfallen fangen. So entstehen künstliche Modellsysteme für echte Festkörper, die man auf völlig neue Weise kontrollieren und untersuchen kann. Diese Kontrolle einzelner Atome kann auch Grundlage für den Bau eines Quantencomputers sein. Welche Herausforderungen es dabei gibt und wie eine Hardwareplattform auf Basis neutraler Atome im Vergleich beispielsweise zu Supraleiter-basierten Quantencomputern performt, ist Fokus dieser Podcast-Folge mit dem Direktor des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik Immanuel Bloch.

Annealing – zu Deutsch „Glühen“ – ist ein Vorgang in der Werkstoffkunde, bei dem durch Anwärmen, Durchwärmen und anschließendem Abkühlen von meist metallischen Werkstücken diese in einen gewünschten Zustand überführt werden können. Beim Quantum Annealing wird ein ähnliches Prinzip verwendet: Quantenzustände werden derart manipuliert, dass mit ihnen bestimmte Algorithmen ausgeführt werden können. Diese ermöglichen es, mathematische Probleme – beispielsweise aus der Optimierung – zu lösen. Wie weit ist dieser technologische Ansatz? Wie unterscheidet er sich vom üblichen gatterbasierten Quantencomputing? Welche Anwendungsfälle sind geeignet und welche Herausforderungen bestehen derzeit? Diese und viele weitere Fragen besprechen wir in unserer neuen Folge mit Dr. Tobias Stollenwerk, dem aktuellen Leiter der Gruppe Quantenalgorithmen am Institut für Quantencomputing-Analytik (PGI-12) des Forschungszentrums Jülich.

Quantencomputer könnten schon bald in der Lage sein, asymmetrische Kryptographie-Verfahren wie die RSA-Verschlüsselung zu knacken. Daher investieren immer mehr Regierungen weltweit in neue „quantensichere“ Kryptographie-Verfahren: die sogenannte Quantenkryptographie. In der siebten Folge des Quantenradars beschäftigen wir uns mit dem Thema Kryptographie mit Hilfe von Quantenphysik – einem noch sehr jungen Verschlüsselungsansatz, der höchste Informationssicherheit verspricht. Hierzu sprechen wir mit unserem Gast Prof. Dr. Christoph Marquardt vom Lehrstuhl für Optische Quantentechnologien der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg über Quantenschlüsselaustausch (Quantum Key Distribution / QKD) und Quantenkommunikation, den Grundlagen von Quantenkryptographie. Wie der Stand der Technik ist, was es mit Post-Quanten-Kryptographie auf sich hat und wer die wichtigen Player auf dem noch jungen Feld der Kryptographie sind, das beleuchten wir für euch auf der Tonspur – noch klassisch verschlüsselt – in der neuen Folge des Quantenradars.

Nicht nur im Bereich Computing, sondern auch in den Bereichen Sensorik und Kommunikation versprechen sich viele Automobilhersteller und deren Zuliefererindustrie perspektivisch Vorteile, wenn sie quantenbasierte Technologien einsetzen. Bereits im März 2017 hatte Volkswagen bekannt gegeben, mit dem kanadischen Quantencomputerhersteller D-Wave zu kooperieren. Die Partner haben in einem ersten Anwendungsfall demonstriert, wie Quantencomputing eingesetzt werden kann: Ziel war, den Verkehrsfluss in Peking auf Basis realer Daten von Taxis zu optimieren. In dieser Folge sprechen wir mit Alissa Wilms von Porsche Digital – der Digitaleinheit der Porsche AG – über den aktuellen Stand der Technik beim Einsatz von Quantentechnologien in der Automobilbranche, laufenden Arbeiten in der Forschung und Entwicklung, und nicht zuletzt darüber, wie der Technologietransfer angegangen wird.