Seeking a Quantum Advantage — Der Blick in die Zukunft
By Lena Stache, 19.09.2023
Der DTCF — Quantum-Ready
In dem sich kontinuierlich verändernden Feld des computergestützten Rechnens positioniert sich der DeepTech & Climate Fonds als Wegbereiter der Innovation, der die Zukunftsgestaltung der Quanteninformatik aktiv begleiten möchte. Als Wachstumsinvestor tiefgreifender Technologien ist der DTCF ein aktiver Part im europäischen Quanten-Ökosystem als Investor — aber auch als Sparring Partner und Begleiter der relevanten Industriepartner. Durch eine Analyse des europäischen Marktes, mit starkem Fokus auf das deutsche Startup-Ökosystem der Quantentechnologie präsentiert sich der Fonds als Enabler für die Ära der Quantenfortschritte.
Quantum Startups — diversified and advanced
In der Market Map der deutschen Startups wird deutlich, dass der Markt für Quantencomputer kein singuläres Gebilde ist, sondern aus Teilmärkten besteht, die sich durch ihre Bedeutung, ihren Entwicklungsverlauf und ihre Größe unterscheiden. Wenn wir uns mit dem Gefüge und der Dynamik dieses Sektors befassen, kommt eine wichtige Tatsache ans Licht: Die deutsche Quantum-Landschaft wächst an Startups und auch an Unterstützern, wie Forschungszentren oder Industriepartnern, Finanzierern und Kunden. Im Folgenden betrachten wir eine Übersicht über die unterschiedlichen Entwicklungsstände, die notwendigen Hebel und die ersten Erfolge eines unserer Zukunftsmärkte.
1. Quantum-Security– Secure now, ease later
Die Quantenkommunikation ermöglicht die Übertragung von Informationen mit einem neuen Standard der Sicherheit, der auf den Prinzipien der Quantenverschränkung beruht. Diese Methode gewährleistet, dass jede unbefugte Interaktion mit den Daten erkannt wird. Unternehmen nutzen auf Quantenkommunikation basierende Netzwerke, um sensible Informationen in einer sicheren Umgebung zu übertragen, was besonders in Branchen wie dem Finanz- und Gesundheitswesen von Bedeutung ist.
In der heutigen digitalen Welt spielen Verschlüsselungsverfahren eine entscheidende Rolle bei der Sicherung sensibler Informationen und der Gewährleistung der Privatsphäre. Die gängigen Verschlüsselungsmethoden, wie beispielsweise RSA, basieren auf komplexen mathematischen Operationen. Diese Verschlüsselungen gelten als sicher, solange die Rechenleistung von herkömmlichen Computern begrenzt bleibt. Doch die fortschreitende Entwicklung von Quantencomputern stellt eine potenzielle Bedrohung für diese Sicherheit dar, da sie in der Lage sein könnten, diese mathematischen Operationen schneller zu lösen und somit herkömmliche Verschlüsselungen zu knacken.
Bereits heute werden Kommunikationsströme aufgezeichnet und zur späteren Entschlüsselung gespeichert — ein Konzept, das als “store now, decrypt later” bezeichnet wird. Diese gespeicherten Daten könnten von zukünftigen leistungsstarken Quantencomputern entschlüsselt werden, wenn diese in der Lage sind, bestehende Verschlüsselungsalgorithmen zu brechen. Abbildung 2 zeigt eine Abbildung aus dem „Post-quantum cryptography“ Report von McKinsey (2022), der besonders auf den richtigen Ansatz und Zeitpunkt zur Formulierung einer Quantum-Cybersecurity Strategie eingeht. Hierbei kommt es verstärkt auf zwei Komponenten an: Die Langlebigkeit der Daten, also die Beständigkeit von Informationen, die jetzt aufgezeichnet werden zum Zeitpunkt einer möglichen Dekodierung, wie auch der Entwicklungszyklus des unterliegenden Software- bzw. Hardwaresystems.
Um dieser Herausforderung zu begegnen, wurden unter anderem zwei verschiedene technologische Ansätze entwickelt:
a. Post-Quantum Cryptography (PQC): Dieser Ansatz zielt darauf ab, Verschlüsselungsverfahren zu verwenden, die auch gegenüber Angriffen von Quantencomputern sicher bleiben. Dabei werden öffentliche Schlüssel-Kryptosysteme mit mathematischen Funktionen kombiniert, die selbst unter der potenziellen Bedrohung durch Quantencomputer resistent bleiben. Post-Quantum Cryptography ermöglicht die Verwendung von Verschlüsselungen auf bestehenden Infrastrukturen und bietet somit eine Lösung, um sich gegen zukünftige Quantenangriffe zu schützen.
b. Quantum Key Distribution (QKD): Quantum Key Distribution ist ein weiterer Ansatz, der auf den Prinzipien der Quantenmechanik beruht. Dabei werden schwache Laserpulse, die einzelne Photonen repräsentieren, genutzt, um Quantenzustände des Lichts zu erzeugen. Diese Quantenzustände werden in zufällig gewählten Phasen und Amplituden modelliert und an den Empfänger gesendet. Der Empfänger detektiert die Photonen in zwei zufällig ausgewählten Zuständen. Dadurch wird Schlüsselmaterial erstellt und die Fehlerrate während des Prozesses kann auf mögliche Angriffe hinweisen, was durch das “non-cloning theorem” der Quantenmechanik unterstützt wird. Es gibt sowohl diskrete Ansätze (DV) mit einzelnen Photonen als auch kontinuierliche Ansätze (CV) mit Laserstrahlen, die in Amplituden- und Phasenquadraturen kodiert sind. CV-Systeme können sogar auf einem einzigen Chip realisiert werden, was ihre praktische Implementierung erleichtert.
Diese beiden technologischen Ansätze — Post-Quantum Cryptography und Quantum Key Distribution — repräsentieren vielversprechende Möglichkeiten, um die Herausforderungen der zukünftigen Quantencomputer-Ära anzugehen. Die Kombination dieser Ansätze kann dazu beitragen, die Integrität und Sicherheit von digitalen Kommunikationssystemen auch in einer Zukunft mit leistungsstarken Quantencomputern zu gewährleisten.
2. Quantum-Sensors — detecting the smallest deviations
Quantensensoren ermöglichen einen Fortschritt darin, physikalische Eigenschaften mit Präzision zu messen. Diese Sensoren machen sich Quanteneffekte zunutze, um kleinste Veränderungen in der Umgebung zu erkennen. Sie finden Anwendung in der medizinischen Bildgebung, der Umweltüberwachung, der Qualitätskontrolle verschiedener Produktionstechniken und sogar bei der Erkundung natürlicher Ressourcen.
Diamanten haben sich als bemerkenswerte Kandidaten für die Herstellung von Sensoren herausgestellt, die auf Stickstoff-Vakanz-Zentren (NVZ) basieren. Diese Zentren haben etwa die Größe eines einzelnen Atoms. Sie entstehen, wenn ein Stickstoffatom anstelle eines Kohlenstoffatoms im Diamantgitter sitzt. Diese Veränderung in der chemischen Struktur hinterlässt eine Leerstelle neben dem Stickstoffatom. Das faszinierende Merkmal der NVZ liegt darin, dass ihre Fluoreszenzrate von ihrem quantenmechanischen Zustand, sprich ihrem Qubit-Zustand, abhängt. Dieser Zustand wird durch das lokale Umfeld beeinflusst, was bedeutet, dass subtile Änderungen wie Magnetfelder erfasst werden können.
Der Markt für Quantensensoren, die auf Diamant-NVZ basieren, verzeichnet laut Polaris ein bemerkenswertes Wachstum. Für das Jahr 2023 wird der Markt auf geschätzte 608,90 Millionen US-Dollar beziffert. Die Prognose zeigt ein Wachstum bis 2028 auf 1.116,90 Millionen US-Dollar. Dies entspricht einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 12,90% im Prognosezeitraum von 2023 bis 2028. Dieses Wachstum spiegelt die steigende Anerkennung und die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten wider, die diese hochsensiblen Quantensensoren bieten.
3. Quantum-Software — creating scaling advantages
Um Rechenleistung von Quantensystemen effektiv zu nutzen, muss spezifische Software entwickelt werden. Unternehmen arbeiten an der Entwicklung quantenbasierter Algorithmen zur Lösung von Problemen, die mit herkömmlichen Computern unüberwindbar wären, darunter beispielsweise Optimierungsprobleme. Sie tragen dazu bei, die Quantencomputing-Technologie weiter voranzutreiben, neue Anwendungen zu entwickeln und die Komplexität des Quantenprogrammierens zu reduzieren. Auch die Erstellung von Modellen auf quantenmechanischer Ebene für die Analyse von Materialien kann in diesen Bereich zählen. Im Gegensatz zu klassischen Modellen, die auf makroskopischen Annahmen basieren, nutzt ein quantenmechanisches Modell die Gesetze der Quantenphysik, um das Verhalten von Atomen und Molekülen auf mikroskopischer Ebene zu beschreiben. Solche Modelle sind besonders leistungsfähig, wenn es darum geht, die elektronischen, optischen, magnetischen und chemischen Eigenschaften von Materialien zu analysieren.
4. Full-stack Hardware — the core of the quantum revolution
Der Hebel der Quantencomputer-Revolution liegt in den Full-Stack-Computern selbst. Diese Systeme integrieren alle Aspekte der Quantentechnologie von der Hardware bis zur Software. Unternehmen wie IBM, Google und andere haben bereits Quantencomputer entwickelt, die in der Lage sind, komplexe Berechnungen durchzuführen. Sie stehen jedoch noch vor der Herausforderung, die Stabilität der Qubits zu verbessern und eine größere Anzahl von Qubits miteinander zu verknüpfen. IBM präsentiert eine Roadmap, die als Indikator für die Skalierung von Qubits gilt. Diese befindet sich auf Prozessorebene aktuell an der Schnittstelle zwischen „Osprey“ mit 433 Qubits und „Condor“ mit 1121 Qubits. Die entwickelten Prozessoren definieren die Grenzen der Einzelchip-Prozessoren und ermöglichen die Steuerung großer Systeme. Der realisierbare Vorteil der Quantencomputer ist jedoch erst dann erreicht, wenn die Resistenz zu sogenanntem „noise“ verstärkt werden kann. Durch diese Verstärkung reagieren Qubits weniger empfindlich auf Umwelteinflüsse, wie Kryotechnik oder Hitze, behalten länger ihren Quantenstatus und können so mehr Rechenoperationen durchführen.
Die verschiedenen technologischen Ansätze der Implementierung und Skalierung von Quantencomputern stehen in enger Konkurrenz. Doch nicht nur etablierte Corporates treiben die Entwicklung voran. Beispielweise sammelte IQM bereits über 130 Millionen Euro für ihr Kernprojekt IQM „Spark“ ein. Auch das deutsche Unternehmen PlanQC verzeichnet herausragende Erfolge. Aus dem Munich Quantum Valley heraus überzeugte die Neutralatomtechnologie erste Auftraggeber wie auch namhafte Investoren.
Eben jene Full-Stack-Quantencomputer stehen im Zentrum der Quantenrevolution und besitzen das Potenzial, den Weg für viele spannende Technologiefelder zu bereiten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Reise zur Nutzung der Quantentechnologie sowohl aufregend als auch vielversprechend ist. Durch Zusammenarbeit, Investitionen und Innovationen können wir eine neue Ära des Computings und wissenschaftlichen Fortschritts einläuten und gleichzeitig die Sicherheit unserer digitalen Infrastruktur gewährleisten. Der DTCF ist bereit diese Entwicklungen aktiv mitzugestalten!
Für Fragen zum Thema, Anregungen & Finanzierungsthemen: L.Stache@dtcf.de
