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9. Dezember 2021
Quantum 2.0 wird neue Supertechnologien hervorbringen, die unser Leben und unsere Arbeit massiv verändern und ein neues Zeitalter prägen werden. Bereits heute existiert ein Quanten-Ökosystem aus Start-ups und großen Unternehmen unter Beteiligung von mehr als 60 Ländern. Quantentechnologien werden die Wirkung von digitalen Transformationsprozessen nochmals beschleunigen und können sich disruptiv in vielen Bereichen auswirken. Der Wettbewerb zwischen Unternehmen wird sich durch Quantum 2.0 verschärfen mit der Vision eines neuen sicheren Quantum-Internet mit Höchstgeschwindigkeit. Auf internationaler und diplomatischer Ebene hat Quantum das Potenzial, einen nachhaltigen ökologischen Umbau zu unterstützen. Die Quantum 2.0-Revolution wirft neue wirtschaftliche und soziale Fragen auf, die diese Veröffentlichung aufgreift und Unternehmen dazu aufruft, „Quantum ready“ zu werden. [mehr]
Deutschland-Monitor Quantum 2.0 wird neue Supertechnologien hervorbringen, die unser Leben und unsere Arbeit massiv verändern und ein neues Zeitalter prägen. Fortschritte in der Quantenforschung ermöglichen es Unternehmen, in den kommenden Jah ren marktreife Anwendungen in den unterschiedlichsten Bereichen zu entwi ckeln - von Quantenrechnern und Quantennetzwerken als Bestandteile eines neuen leistungsstarken Quanteninternets, Quantensoftware und Echtzeit-An wendungen für autonome Systeme bis hin zu Biomedizin, Pharmazie und Raumfahrt, neuartigen nanotechnologiebasierten Materialien und vielen weite ren Anwendungen. Quantum 2.0-Supertechnologien haben das Potenzial, über Jahrzehnte enorme Produktivitäts- und Wachstumsschübe zu ermöglichen, wie auch bereits durch Quantum 1.0 seit den 1960er Jahren beim Aufbau moderner Industrie- und In formationsgesellschaften. Innovationsfreundliche Rahmenbedingungen werden dafür mitentscheidend sein. Bereits heute existiert ein Quantenökosystem aus Start-ups und großen Unter nehmen unter Beteiligung von mehr als 60 Ländern. Während es noch zu früh ist, um künftige Marktgrößen präzise vorherzusagen, werden die globalen Märkte für verschiedene Quantentechnologien bereits heute auf über 1 Billion USD geschätzt (UK Government Office for Science, 2016: S. 56), angeführt von Photonik, Halbleitern und Cybersicherheit. Quantentechnologien werden die Wirkung von digitalen Transformationsprozes sen nochmals beschleunigen. Für Unternehmen ist es essenziell zu entschei den, ob sie „Quantum ready" werden wollen - durch eine eventuelle Anpassung der Geschäftsmodelle und ein neues Denken in Bezug auf Daten, Prozesse so wie eine innovative Unternehmenskultur inkl. Talentmanagement. Der Wettbewerb zwischen Unternehmen wird sich durch Quantum 2.0 verschär fen. R egionale und globale Liefer- und Wertschöpfungsketten könnten aufge brochen werden und neue Geschäftsmodelle entstehen. Auf internationaler und diplomatischer Ebene hat Quantum das Potenzial, die Erreichung politischer, wirtschaftlicher und sozialer Ziele und eines nachhaltigen ökologischen Umbaus zu unterstützen. Autor Hermann P. Rapp +49 69 910-43893 hermann-paul.rapp@db.com Editor Stefan Schneider Deutsche Bank AG Deutsche Bank Research Frankfurt am Main Deutschland E-Mail: marketing.dbr@db.com Fax: +49 69 910-31877 www.dbresearch.de DB Research Management Stefan Schneider 9. Dezember 2021 Wirtschaftlich-technologische Revolution durch Quantum 2.0 Neue Supertechnologien kommen in Reichweite Wirtschaftlich-technologische Revolution durch Quantum 2.0 2 | 9. Dezember 2021 Deutschland-Monitor Inhalt A. Einführung: Wirtschaft und Gesellschaft werden sich durch Quantum 2.0- Technologien verändern ................................................................................. 3 Gesamtgesellschaftliche Wirkungen ............................................................... 4 Wirkungen auf Innovation ............................................................................... 4 Folgen für Sicherheit ...................................................................................... 4 Statistische Methodologie ............................................................................... 5 B. Die erste und zweite Quantenrevolution ......................................................... 5 Quantum 1.0: Die Technologiebasis moderner Industrie- und Informationsgesellschaften ............................................................................. 5 Quantum 2.0: Zukünftige Quantensupertechnologien ................................... 6 Industrie, Produktion & Logistik ...................................................................... 6 Gesundheitswesen, Medizin, Pharmazie und Biotechnologien ..................... 6 Banken und Versicherungen .......................................................................... 7 Arbeitswelt und Kommunikation ..................................................................... 7 Klimaforschung und ökologische Transformation .......................................... 7 Unterhaltung ................................................................................................... 7 Einzelhandel und Supermärkte ...................................................................... 8 Quantum-KI .................................................................................................... 8 Übersicht: Von Quantum 1.0 zu Quantum 2.0 ............................................... 8 Von der Quantenforschung bis zur industriellen Nutzung von Quantentechnologien ..................................................................................... 9 C. Quantentechnologie, Photonik und Plasmonik ............................................. 10 D. Quantencomputer: Ein ergebnisoffenes globales Wettrennen ..................... 11 Quantum-Hardwarestrategien ...................................................................... 11 Quantencomputer: Die Überwindung digital-binärer Grenzen ..................... 12 Quantenvorteil: Wurde ein spektakulärer Meilenstein erreicht? ................... 13 Wann steht ein leistungsfähiger kommerziell einsetzbarer Quantenrechner zur Verfügung? ............................................................................................. 14 Patente auf dem Gebiet des Quantenrechnens ........................................... 15 E. Quantensoftware .......................................................................................... 16 Gegenüberstellung von Digitalrechnen und Quantenrechnen ..................... 17 Unterschied zwischen digitalen und quantenbasierten Rechenmethoden .. 18 Primzahlenberechnung und Verschlüsselungsverfahren ............................. 18 Quantenlogistik ............................................................................................. 20 F. Quantenkommunikation: Hochleistungsnetze und die Vision eines Quanteninternets .......................................................................................... 20 G. Globale Ansätze zur Unterstützung von Quantentechnologien ................... 22 Nationale Quantenstrategien und Initiativen ................................................ 22 Quantenökosystem ....................................................................................... 23 USA .............................................................................................................. 24 VR China ...................................................................................................... 24 Europäische Union (EU-27) .......................................................................... 25 H. Quantum readiness: Szenarioanalyse und neues Denken .......................... 26 Bibliografie ......................................................................................................... 27 Wirtschaftlich-technologische Revolution durch Quantum 2.0 3 | 9. Dezember 2021 Deutschland-Monitor A. Einführung: Wirtschaft und Gesellschaft werden sich durch Quantum 2.0-Technologien verändern Zu Beginn des 20. Jahrhunderts entstand die Moderne Quantenmechanik und damit das Wissen über die Naturgesetze im subatomaren Bereich. Lichtenergie wird seither nicht mehr als kontinuierlich im Raum verteilt verstanden, sondern es tritt als Energiepakete auf, die als Photonen bzw. Energiequanten bezeichnet werden. Max Planck 1 hat dafür 1901 den Begriff Quanta 2 eingeführt, um die Zu stände von Energiequanten zu beschreiben. Neben Planck haben an den expe rimentellen und theoretischen Durchbrüchen viele weitere Wissenschaftler der Physik, Chemie und Mathematik zusammengearbeitet 3 , von denen einige No belpreise erhielten, u.a. Niels Bohr, Marie Sklodowska-Curie, Albert Einstein, Louis de Broglie, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Felix Bloch und Max Born. Seitdem werden die Grenzen der Wissenschaft immer weiter verschoben und in immer mehr Bereichen entstehen angewandte Forschungsprojekte. Etwa seit dem Jahr 2000 befinden wir uns in der Anfangsphase der zweiten Quantenrevolution (Quantum 2.0). Das Jahr 2015 wurde von den Vereinten Na tionen als das „Internationale Jahr des Lichts und der lichtbasierten Technolo gien" 4 ausgerufen. Inzwischen hat der globale Wettlauf um neue Supertechnolo gien durch hohe öffentliche Investitionen im Milliardenbereich und die Beteili gung von renommierten Forschungseinrichtungen und Universitäten an Fahrt gewonnen und ist zunehmend getrieben durch private Investitionen und die Ak tivitäten internationaler Technologieunternehmen. Derzeit wird in einer Vielzahl von Branchen und akademischen Disziplinen an Anwendungsfällen für Quan tum 2.0 gearbeitet. Wie viele Jahre einzelne quantenbasierte Anwendungen bis zur Marktreife brauchen werden, ist Gegenstand ganz unterschiedlicher Ein schätzungen. Die entsprechenden Quantentechnologien sind jedoch größten teils noch im Forschungsstadium bzw. industriell noch nicht effektiv einsetzbar. Allerdings wird sich dies im nächsten Jahrzehnt dramatisch ändern - und für ei nige Quantentechnologien auch schon früher. Heute sind die Quantenforschung und Quantentechnologien sich schnell entwi ckelnde Bereiche mit vielen forschungsintensiven Teilgebieten und einer Mi schung von Technologien, die teils voneinander abhängig sind bzw. sich gegen seitig ergänzen und in ihrer Wirkung verstärken. Zusammen mit Schlüsseltech nologien wie Photonik, Nanotechnologie und Künstlicher Intelligenz eröffnen sich durch Quantum 2.0 neuartige und faszinierende Perspektiven, die ein neues Quantenzeitalter prägen werden, das unsere Zukunft so entscheidend beeinflussen könnte wie das Zeitalter der Elektrizität seit den 1920er Jahren und das der Elektronik seit den 1960er Jahren. Während dafür noch eine Reihe ent scheidender technisch-wissenschaftlicher Durchbrüche notwendig sind, ist es sowohl aus technischer, unternehmerischer und investiver Sicht als auch für eine Gesellschaft als Ganzes wichtig, vorausschauend die Chancen und Her ausforderungen zu verstehen und zu diskutieren. 1 Für seine Entdeckung der Lichtquanten wurde Max Planck der Nobelpreis für Physik 1918 ver liehen. 2 Quantum [Lat.] = wie groß, wie viel 3 Einen Überblick über die Gemeinschaft der beteiligten Forschenden gibt ein Projekt des MPI für Wissenschaftsgeschichte und die daraus entstandenen Publikationen: https://www.mpiwg-berlin.mpg.de/de/feature-story/die-netzwerke-der-fruehen-quantentheorie 4 https://www.light2015.org/Home.html, http://www.jahr-des-lichts.de/ Quantenforschung 1 Quelle: Deutsche Bank Research, 2021 Wirtschaftlich-technologische Revolution durch Quantum 2.0 4 | 9. Dezember 2021 Deutschland-Monitor Studien zur Technikfolgenabschätzung von Quantentechnologien 5 können da bei helfen, die Wirkungen neuer Technologien auf die gesellschaftliche, wirt schaftliche und ethisch-soziale Dimension eines neuen Quantenzeitalters einzu ordnen. Warnend hat allerdings Niklas Luhmann 6 darauf hingewiesen, dass „mehr als für jede andere Gesellschaft [...] erfolgsversprechende Forschungs möglichkeiten bereit" sind und „zugleich [...] aber damit auch das Nichtwissen [steigt], und zwar überproportional." Mit Bezug auf die Folgen von Quantentechnologien ergeben sich Themen wie beispielsweise: Gesamtgesellschaftliche Wirkungen - Demokratie und Medien: Quantum Internet, Medienkompetenz, Partizipation - Soziale Effekte der Beschleunigung der Arbeitswelt und Kommunikation - Soziale Homogenität in einer High-Tech-Informationsgesellschaft - Eigentumsrechte an persönlichen und sozialen Daten und souveräne Identi tät Wirkungen auf Innovation - Quantentechnologien und Innovationsmanagement - Zugang zu Quantentechnologien (z.B. durch kleine und mittlere Unterneh men) - Auswirkungen von Quantentechnologien auf einzelne Industrien und Liefer ketten - Auswirkungen spezifischer Innovationen 7 Folgen für Sicherheit - Cyberangriffe mit zukünftigen Quantentechnologien - Risiken moderner Kryptografie durch quantenbasierte Entschlüsselung und Quantencodes 8 , bis zur Erreichung einer Post-Quantum Kryptographie 5 Arge ITA-AIT Parlament (2021). Zukunft der Quantentechnologie: Quantencyberkrieg oder leist bares Quanteninternet für alle? Foresight und Technikfolgenabschätzung: Monitoring von Zu kunftsthemen für das Österreichische Parlament. US Government Accountability Office (GAO) (2020). Science & Tech Spotlight - Quantum Technologies. Schweizer Wissenschaftsrat (2020). Quantentechnologie in der Schweiz. Enzweiler, Kai et al. (2018). Quantencomputer. TAB - Büro für Technikfolgenabschätzung beim Deutschen Bundestag, Berlin. 6 Luhmann, Niklas (1997). Die Gesellschaft der Gesellschaft. Suhrkamp Verlag, Frankfurt a.M., S. 1111. 7 Beispielsweise sollen in dem EU Quantum Flagship Projekt CiViQ neben den technologischen Aspekten einer zukünftigen Integration von Quantenkommunikation (QKD) in optische Telekom munikationsnetze auch Fragestellungen zu den langfristigen ethisch-sozialen Veränderungen be rücksichtigt werden. URL: http://civiquantum.eu/ 8 World Economic Forum (WEF) (2019). The Global Risks Report 2019. 14th Edition. Geneva. BSI (2020). Entwicklungsstand Quantencomputer. Berlin. Wirtschaftlich-technologische Revolution durch Quantum 2.0 5 | 9. Dezember 2021 Deutschland-Monitor Statistische Methodologie - Statistische Erfassung und Analyse der Wertbeiträge von digitalen Dienst leistungen und einzelnen Technologien bzw. Technologiesektoren Diese Publikation gibt eine kurze Einführung in die gerade entstehenden Quan tentechnologien und Impulse zu den damit verbundenen Chancen und Heraus forderungen, um das Potenzial von Quantum 2.0 nicht nur technisch, sondern auch wirtschaftlich, ökologisch und sozial sinnvoll einzusetzen. B. Die erste und zweite Quantenrevolution Quantum 1.0: Die Technologiebasis moderner Industrie- und Infor mationsgesellschaften Aufbauend auf den Erkenntnissen der modernen Quantenmechanik und Photo nik entstanden seit Mitte des 20. Jahrhunderts in vielfachen Innovationszyklen diejenigen Technologien, die heute die technische Basis der modernen Informa tionsgesellschaft bilden. Anwendungen der ersten Quantenrevolution (Quantum 1.0) wurden seit den 1950er Jahren entwickelt und werden seit Jahrzehnten in dustriell eingesetzt. Die moderne Elektronik, Quantenelektronik 9 und Opto-Elek tronik basieren weitgehend auf angewandter Quantentheorie 10 . Im Bereich der Computer- und Netzwerktechnologien ist die wichtigste Basistechnologie die Mikroelektronik 11 , die integrierte Schaltungen auf Transistoren und Halbleitern im Mikrobereich ermöglicht. Weitere Basistechnologien sind optoelektronische Bauelemente und Übertragungsmedien (insbesondere die Glasfasertechnolo gie) für die Datenhöchstgeschwindigkeitskommunikation in modernen Netzwer ken. Weitere Beispiele sind Mikrowellen- und Lasertechnologien (z.B. Indus trielaser zur Materialbearbeitung), Lichtdioden in CD- und DVD-Abtastern bzw. -brennern, elektrische Haushaltsgeräte mit Mikroelektronik, Satelliten- und Navi gationssysteme, das Internet und mobile Kommunikation mit Smartphones. Über Jahrzehnte haben quantenbasierte Technologien enorme Produktivitäts- und Wachstumsschübe ermöglicht. Eine 2019 veröffentlichte Studie 12 mit Daten von Eurostat für den Zeitraum 2011-2016 besagt, dass industriell angewandte Physik in der EU einen Nettobeitrag zur Wirtschaft von mindestens 1,45 Billio nen Euro pro Jahr - oder 12 Prozent - leistet und damit einen höheren Beitrag liefert als Einzelhandel (4,5 Prozent), Finanzdienstleistungen (5,3 Prozent) oder Baugewerbe (5,3 Prozent). 9 Auf dem Gebiet der Quantenelektronik wurde der Nobelpreis für Physik 1964 an Charles Hard Townes, Nikolai Bassow und Alexander Prochorow verliehen. Für die Grundlegung der Quan tenelektrodynamik erhielt Richard Feynman 1965 zusammen mit Shin'ichiro Tomonaga und Ju lian Schwinger den Nobelpreis für Physik. 10 Mitin, Vladimir et al. (1999). Quantum Heterostructures: Microelectronics and Optoelectronics. Cambridge University Press. 11 Aicher, Wolfgang et al. (1998). Technologische Grundlagen. In: Jung, Volker und Hans-Jürgen Warnecke (Hrsg.) Handbuch für die Telekommunikation. Springer Verlag, Berlin/Heidelberg. 12 European Physical Society (EPS) (2019). The Importance of Physics to the Economies of Eu rope. A study by Cebr for the period 2011-2016. Mülhausen, Frankreich. Wirtschaftlich-technologische Revolution durch Quantum 2.0 6 | 9. Dezember 2021 Deutschland-Monitor Quantum 2.0: Zukünftige Quantensupertechnologien Die Erforschung und Entwicklung von Quantum 2.0 13 -Technologien geschieht seit mehr als zwei Jahrzehnten durch Forschungsinstitute und Industrielabore weltweit. Ein solches Gebiet ist beispielsweise die Quanteninformatik, die sich u.a. mit Quantennetzwerken, Quantensensorik und quantenbasierter Simulation mit entsprechender Quantensoftware beschäftigt und industriell relevante Lö sungen und Ansätze erforscht. In Schlüsselbereichen von Industrie- und Wirtschaft wird Quantum 2.0 tiefgrei fende Veränderungen bewirken, die zu einer Erhöhung bei Produktivität, Wachstum und Wettbewerbsfähigkeit führen. Damit wird eine neue Generation von Produkten und Dienstleistungen ermöglicht, beispielsweise in den folgen den Bereichen: Industrie, Produktion & Logistik - Optimierung von Industrieproduktion und Prozessen in unterschiedlichsten Bereichen durch bessere Planungs- und Designinstrumente - Quantenbasierte Simulationstechniken, z.B. zur Entwicklung und Simulation neuer Materialien und Fertigungsverfahren - Quantenbasierte Optimierungsberechnungen und verbesserte Messtechnik in Fertigung und Produktion - Quantenbasierte Echtzeit-Modelle, die in der Quantenlogistik zu optimierter Routenplanung führen und einer höheren Effizienz und Effektivität von Lie ferketten, optimierter Verkehrssteuerung und einer verbesserten Koordina tion verschiedener Verkehrsträger. - Quantenbasierte Modellierungen werden beispielsweise in der Chemie (Computational Chemistry) oder Biologie (Computational Biology) genutzt, um neue Medikamente und Impfstoffe zu erproben. - Neue 3D- und 2D-Materialien können durch neuartige nanotechnologische Herstellungs- und Messverfahren erforscht und hergestellt werden. Bei spiele hierfür sind Graphen, Quantenpunkte (Quantum Dots) oder Nanokris talle. Gesundheitswesen, Medizin, Pharmazie und Biotechnologien - Quantenbildgebung und Quantensensorik können Diagnostik und Monito ring von Patienten erheblich verbessern - sowohl in klinischen als auch pri vaten Umgebungen. - Optische Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung (VLC) für Monitoring und Positionsbestimmung von Patienten in Innenräumen - Quantenbasierte Simulationen können die Entwicklung von neuen Medika menten und Impfstoffen verbessern und beschleunigen. - Anwendungen von neuen Verfahren (z.B. „Quantum Dots") in der Moleku larbiologie - Bioimplantate im Nanobereich mit quantenbasierter Kommunikation 13 Die Bezeichnung „Quantum 2.0" für neu entstehende Quantentechnologien wurde von Pritchard und Till 2014 in einer Veröffentlichung über die britische Quantentechnologie-Landschaft geprägt. Sie prognostizierten, dass die durch Quantum 2.0 ermöglichten Technologien eine „zweite Quan tenrevolution" auslösen würden. Inzwischen wird der Begriff „Quantum 2.0" in vielen Publikatio nen und Regierungsprogrammen benutzt. Wirtschaftlich-technologische Revolution durch Quantum 2.0 7 | 9. Dezember 2021 Deutschland-Monitor Banken und Versicherungen - Risikoberechnungen 14 (potenziell in Echtzeit) - Simulation und Modellierung von Finanzmärkten und Kaufverhalten - Chatbots und Robo Advisors für „menschlicher" wirkende Kundendialoge, um in Echtzeit eine bessere Beratung mit passgenauen Produkten (durch quantenbasierte Modellierungen) anzubieten. 15 - Beschleunigung des elektronischen Zahlungsverkehrs - Ermittlung von Einsparpotenzialen durch Analyse von Ausgabenmustern und Anomalien, um Verbesserungen vorzuschlagen Arbeitswelt und Kommunikation - Aufbau und Betrieb eines Quanteninternet, das um Dimensionen schneller sein wird als bisherige Höchstleistungscomputernetzwerke - Beschleunigung der Kommunikation und Zusammenwirken mit KI (Quantum AI) - Hochgeschwindigkeits-Kommunikation mit sichtbarem Licht (Visible Light Communication, VLC) im Nahbereich von Innenräumen mit Mikro-LEDs - Kommunikation und Infotainment per Mikro-LEDs (VLC) in Flugzeugen ohne elektromagnetische Effekte während des Fluges - Echtzeit-Analyse des Verhaltens komplexer Systeme mit beliebig vielen Teilnehmern - Entscheidungsvorbereitung mit Quantenrechnern (schnelle Simulation und Kombinatorik) Klimaforschung und ökologische Transformation - Neuartige quantenbasierte Modellrechnungen in der Klimaforschung - Optimierte Logistik (bessere Verkehrssteuerung) - „Grüne Photonik", z.B. photonische statt elektronischer Anwendungen und Geräte, die statt Elektrizität Licht verwenden, keine Hitze produzieren und somit Reibungsverluste vermeiden, was eine weitere Miniaturisierung im Nanobereich durch das Wegfallen von Kühlung und Lüftern ermöglicht - Realisierung einer Low-Carbon-Society mit Smart City-Infrastruktur und Quantum-Internet - Unterstützung globaler Technologie-Hubs, um den Technologie-Transfer von GreenTech zu beschleunigen Unterhaltung - Neue Entertainment- Formen und weitergehende Möglichkeiten, die sich durch quantenbasiertes Echtzeit-Feedback und das Mitspielen einer sehr großen Anzahl von Spielern bzw. ganzer Gemeinschaften ergeben. 14 https://arxiv.org/pdf/2103.05475.pdf 15 Karasu, Ibrahim (2021). Auswirkungen auf die Banken: Quantencomputer und KI - erfolgreiches Zusammenspiel? KI-Note. Online Magazin. Wirtschaftlich-technologische Revolution durch Quantum 2.0 8 | 9. Dezember 2021 Deutschland-Monitor - Eine nächste Generation von Spielen in Echtzeit verbunden mit Augmented Reality/Virtual Reality - Smart City-Infrastruktur und Quantum-Internet Einzelhandel und Supermärkte - Positionsbestimmung von Kunden und Wegesignalisierung zu Angeboten per VLC - Optimierte Planung und Logistik Quantum-KI - Die Kombination mit Quantenrechnen könnte Künstliche Intelligenz in vielen Aspekten voranbringen, z.B. in Bezug auf Rechenkapazität, die Verarbei tung großer Datenmengen (Big Data) in Simulationen und bei Analysen mit hoher Komplexität (z.B. in der Kombinatorik). - Ein Beispiel für eine Initiative zur Entwicklung einer Plattform und eines Ökosystems für Quantenunterstützte Künstliche Intelligenz ist PlanQK 16 , die von einem Konsortium geleitet und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert wird. Übersicht: Von Quantum 1.0 zu Quantum 2.0 Die folgende Tabelle dient eher als ein vereinfachtes didaktisches Hilfsmittel als eine präzise Darstellung der Innovationsgeschichte. Sie hat sich jedoch als nützlich erwiesen, um einige Aspekte der Quantenrevolution zu veranschauli chen: 16 https://planqk.de/en/partners/ Vergleich zwischen Quantum 1.0 und Quantum 2.0 2 Quantum 1.0 Quantum 2.0 Zeitperiode 20. Jahrhundert: 21. Jahrhundert: das Jahrhundert des Elektrons das Jahrhundert des Photons Moderne Quanten mechanik Theoretisches Fundament (Interferenz, Superposition und Verschränkung) Quantum Computing, Photonik, Quantengatter, Quanten- algorithmen Schrödingers Gleichung Quanteninformation Technologien - Mikrotechnologie - Nanotechnologie (atomare und subatomare Niveaus) Mikrodimension = 1 mm/1000 Nanodimension = 1 mm/1 Mio - Elektronik - Quantum - Optik (Laser, Mikrowellen, Glasfaser, Atomuhren) - Photonik, Plasmonik Industrielle Nut zung 1950s - heute: Zukünftig: Computer, Laser und Maser, LEDs, GPS, Magnetresonanz- verfahren, Atomuhren, Satellitennavigation u.v.a. Quanteninformatik und Photonik, Anwendungen auf unter schiedlichen Gebieten (teils als Nanotechnologie) Kommunikation Computer, Smartphones, Elektronische Computernetzwerke, Internet Quanten-Internet, Quanteninformationsnetzwerke, Komplexe Sensornetzwerke (Internet of Things, IoT) Sicherheit Konventionelle Verschlüsselung Post-Quantum Kryptographie KI Maschinenlernen (ML), Quantum-ML Deep Learning Quantenalgorithmen Echtzeit-Feedback durch quantenbasierte Simulationen Quelle: Deutsche Bank Research Wirtschaftlich-technologische Revolution durch Quantum 2.0 9 | 9. Dezember 2021 Deutschland-Monitor Von der Quantenforschung bis zur industriellen Nutzung von Quantentechnologien Bis Ideen aus der Grundlagenforschung erfolgreich industriell genutzt werden können, ist das Durchlaufen mehrerer Phasen notwendig. In der Wissenschaftsgeschichte und Innovationsforschung gibt es unzählige Beispiele für erfolgreiche und teils umwälzende Innovationen, aber auch für eine Vielzahl kostspieliger Irrwege und gescheiterter Versuche. Ein Beispiel für die Entwicklungspfade, die sich aus der Grundlagenforschung bis hin zur industriel len Nutzung oft über Jahrzehnte hinziehen, ist die Erfindung blauer LEDs durch drei japanische Forscher, Shuji Nakamura 17 , Isamu Akasaki und Hiroshi Amano. Für ihre Entwicklung von LED-Halbleitern in den 1990er Jahren, die blaue Licht strahlen emittieren, wurde ihnen der Nobelpreis für Physik im Jahre 2014 verlie hen. Seit den 1960er Jahren war nach der Erfindung von roten und grünen LEDs versucht worden, auch blaue LEDs herzustellen. Erst nach einer langen Reihe von Durchbrüchen in der Materialphysik, bei der Kristallzüchtung, in der Gerätephysik und in der optischen Physik gelang dies durch die Herstellung von sog. Quantentöpfen (Quantum Wells), das sind spezifisch gestaltete molekulare Kristallstrukturen (Quantenfilme), die als Halbleiter bestimmte Lichtfrequenzen emittieren. Heute ist durch blaue in Kombination mit den zuvor schon entwickel ten roten und grünen Lichtdioden weißes Licht mit LED-Strahlern möglich. Die Nutzung von LEDs als energieeffiziente und umweltfreundliche Leuchtmittel führt zu einer signifikanten Reduzierung des globalen Energieverbrauchs und längeren Wartungsintervallen gegenüber der bisherigen Nutzung von Glühbir nen oder Leuchtstofflampen in Privathaushalten, in Unternehmen und in der Verkehrstechnik, da 20-30% des Stroms in Industriestaaten für Beleuchtung verbraucht werden. Eine der Hoffnungen, die in die praktische Anwendung von Quantentechnologie gesetzt wird, ist es, durch Simulationen und Modellrechnungen die Entwick lungszeiten zukünftiger Innovationen bis zur Markteinführung verkürzen zu kön nen und die Erfolgswahrscheinlichkeiten zu erhöhen, beispielsweise bei Ent wicklung und Test neuer Materialien und Verfahren. Ebenso kann Quantentech nologie in Verbindung mit „Grüner Photonik" durch eine neue Generation von photonischen Geräten zu einem intelligenteren und effizienteren Energie- und Rohstoffkonsum beitragen. 17 Nakamura, Shuji (2000). The Blue Laser Diode. The Complete Story. Springer-Verlag, Berlin/Hei delberg. Zweite Auflage. (Erstauflage 1997) Von der Grundlagenforschung bis zur industriellen Nutzung 3 Deutsche Bank Research Wirtschaftlich-technologische Revolution durch Quantum 2.0 10 | 9. Dezember 2021 Deutschland-Monitor C. Quantentechnologie, Photonik und Plasmonik Photonik 18 und Quantentechnologie überlagern sich als Forschungsbereiche, da Licht auf Photonen 19 basiert und ein komplexes Phänomen darstellt, das als Energiequanten eine elektromagnetische Strahlung aufweist und sowohl aus Lichtwellen als auch aus Lichtpartikeln besteht. Quantentechnologiesysteme nutzen Licht in atomaren und subatomaren Dimensionen. Aktuell wird an einer neuen Generation von photonischen Geräten in der Nachfolge von elektroni schen Geräten geforscht und gearbeitet. Plasmonik 20 ist dabei eines der wichtigsten Gebiete der Photonik, das sich u.a. mit der Züchtung von winzigen Kristall- und Faserstrukturen im atomaren Be reich beschäftigt, die Lasersignale mit hoher Leistung übertragen können und als Komponenten für zukünftige Quanteninformationsnetzwerke dienen sollen. Der Begriff Plasmon bezieht sich dabei auf ein Lichtquant bei einer Anregung durch Energiestrahlung in Festkörpern, beispielsweise die Beugung von Licht in einem Kristall. Dabei wird die Möglichkeit genutzt, Licht unterhalb der Beu gungsgrenze 21 zu bündeln und zu leiten, was eine neue Generation von hoch miniaturisierten photonischen Geräten, eine radikal neue Glasfasertechnologie oder auch Computerchips auf Photonikbasis ermöglichen wird. Beispiele für industrielle Anwendungen aus der Nanophotonik sind neuartige Strukturen in Nanometergröße, wie z.B. Quantendrähte, maßgeschneiderte Quantenpunkte (Quantum dots) als Einzelphotonenquellen, holografische opti sche Elemente (HOEs) und photonische Kristalle (PhCs), die seit Anfang der 2000er Jahre hergestellt werden können durch Fortschritte in der Herstellungs technik. Diese Bauelemente ermöglichen sowohl eine weitere Miniaturisierung im Nanobereich als auch eine erhöhte Leistung integrierter optischer Schaltun gen 22 als Basis für zukünftige Rechner und Quantennetzwerke. Ein weiteres Beispiel aus der Photonik ist die Kommunikation mit sichtbarem Licht (Visible Light Communication, VLC) im Nahbereich, wofür es seit 2015 ei nen IEEE-Standard gibt, und deren industrielle Einführung begonnen hat 23 . Li Fi 24 (Light Fidelity) hat das Potenzial, das bisherige funkbasierte WiFi (Wireless Fidelity) in Innenräumen abzulösen bzw. zu ergänzen, wobei eine sichere Hoch leistungskommunikation mit Datenübertragung über Licht stattfindet (z.B. durch Mikro-LEDs 25 ), die von lichtsensiblen Empfängern (Photosensoren) aufgenom men und dann elektronisch weiterverarbeitet wird. Mit Li-Fi werden neuartige Anwendungen möglich, wie eine Positionsbestimmung in Innenräumen, wo GPS nicht empfangen werden kann, oder eine kabellose Datenübertragung im 18 Phos [griech.] = Licht. Der Begriff Photonik wurde 1967 von dem französischen Wissenschaftler Pierre Aigrain („La photonique") geprägt und wie folgt definiert: „Photonik ist die Wissenschaft von der Nutzbarmachung des Lichts. Die Photonik umfasst die Erzeugung von Licht, die Erkennung von Licht, das Management von Licht durch Lenkung, Manipulation und Verstärkung und vor al lem seine Nutzung zum Nutzen der Menschheit." 19 Wöhrle, Dieter (2015). Was ist Licht? Chemie in Unserer Zeit, Vol. 49 (6), S. 386-401. 20 Christensen, Thomas (2017). From Classical to Quantum Plasmonics in Three and Two Dimen sions. Springer International, Cham. 21 Für die experimentelle Entdeckung der Elektronenbeugung durch Kristalle erhielten Clinton Da visson und George Paget Thomson den Nobelpreis für Physik 1937. 22 Hunsperger, Robert G. (2009). Integrated Optics: Theory and Technology. Springer Science + Business Media, New York. 6th edition. 23 Rehman, Saeed Ur et al. (2019). Visible Light Communication: A System Perspective - Overview and Challenges. Systems, Vol. 19 (1153). 24 Der Begriff Li-Fi wurde 2011 von Harald Haas in einem TED Global Talk erstmals eingeführt. URL 1: https://web.archive.org/web/20170608024336/ URL 2: https://www.ted.com/talks/harald_haas_wireless_data_from_every_light_bulb 25 Singh, James et al. (2020). Micro-LED as a Promising Candidate for High-Speed Visible Light Communication. Applied Science, Vol. 10, 7384. Wirtschaftlich-technologische Revolution durch Quantum 2.0 11 | 9. Dezember 2021 Deutschland-Monitor Nahbereich unter Wasser 26 . Kommunikation per Licht (Li-Fi) bietet i n Verbin dung mit dem Internet der Dinge (IoT) und neuen Funkbandbreiten (5G und 6G) zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten in Bereichen wie Bildung und Wirtschaft (Kabellose Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung in Innenräumen durch Li Fi), Luftfahrt (Kommunikation per Mikro-LEDs in Flugzeugen ohne elektromag netische Effekte), Gesundheitswesen (Monitoring und Positionsbestimmung von Patienten in Innenräumen) und im Einzelhandel (Positionsbestimmung von Kun den und Wegesignalisierung zu Angeboten). Das Marktvolumen für VLC und Li Fi wird bis 2026 auf 1.582,66 Mrd. USD geschätzt 27 (2020: 24,01 Mrd. USD) (CAGR 101% über den Prognosezeitraum 2021 - 2026). D. Quantencomputer: Ein ergebnisoffenes globa les Wettrennen Die derzeitigen Aktivitäten, funktionierende Laborgeräte und kommerzielle Quantenrechner herzustellen, finden in einem hart umkämpften Wettbewerb statt, an dem weltweit Forschungslabore, große Technologieunternehmen und eine wachsende Zahl von Start-ups beteiligt sind. Da die Quantum Computing Forschung sich momentan sehr dynamisch entwickelt und immer wieder neue Durchbrüche und Ankündigungen gemeldet werden, sind ein Hype und eine aufgeregte Berichterstattung entstanden. Eine wissenschaftlich-skeptische Be trachtungsweise wird sowohl die enormen Leistungen und das Erreichen wichti ger Meilensteine anerkennen, als auch die weiterhin große Reihe an techni schen Durchbrüchen im Blick behalten. An diesem Wettlauf beteiligen sich ver schiedene Wettbewerber mit unterschiedlichen Hardware-Strategien, wobei es noch ungewiss ist, wer sich durchsetzen wird. Quantum-Hardwarestrategien Die Ideen zum Bau von Quantencomputern entstanden Anfang der 1980er Jahre. 1980 wurde erstmals von Paul Benioff vorgeschlagen 28 , einen Quanten rechner als Turing Maschine zu bauen. Die Arbeiten von David Deutsch 29 zur Realisierung von Quantenrechnern auf der Basis von Quantengattern (Quantum Gates) waren ein weiterer wichtiger Meilenstein. Richard Feynman postulierte 1982, dass nur Quantenrechner Quantensysteme simulieren könnten. 30 David DiVincenzo formulierte 2000 einen Katalog von fünf Kriterien für fehlertolerante und skalierbare Quantenrechner (DiVincenzo-Kriterien 31 ) und beschrieb ver schiedene Ansätze für deren Bau. Heute sind die relevanten Konzepte, die von Unternehmen bei der Entwicklung von Quanten-Hardware verfolgt werden, sehr vielfältig und höchst unterschiedlich. Jeder Ansatz ist mit einer Inkaufnahme von Vor- und Nachteilen verbunden. Ein praktischer Vergleich der Quantenrechner-Architekturen ist sehr schwierig, da die Vor- und Nachteile der jeweiligen Ansätze wenig vergleichbar sind. 26 Schirripa Spagnolo, Giuseppe et al. (2020). Underwater Optical Wireless Communications: Over view. Sensors, Vol. 20, 2261. 27 https://www.mordorintelligence.com/industry-reports/visible-light-communication-market 28 Benioff, Paul (1980). The Computer as a Physical System: A Microscopic Quantum Mechanical Hamiltonian Model of Computers as Represented by Turing Machines. Journal of Statistical Physics, Vol. 22, No. 5, S. 563-591. 29 Deutsch, David (1985). Quantum theory, the Church-Turing principle and the universal quantum computer. Proceedings of The Royal Society London, A 400, S. 97-117. 30 Feynman, Richard P. (1982). Simulating Physics with Computers. International Journal of Theo retical Physics, Vol. 21, Nos. 6/7, S. 467-488. 31 DiVincenzo, David P. (2000). The Physical Implementation of Quantum Computation. Fortschritte der Physik, Vol. 9-11, S. 771-783. Wirtschaftlich-technologische Revolution durch Quantum 2.0 12 | 9. Dezember 2021 Deutschland-Monitor Beispielsweise liegen beim Parameter Kohärenzzeit (d.h. der Dauer der stabilen Lage eines Quantencomputers) Ionenfallen mit ca. einigen Sekunden vorn, während supraleitende Quantencomputer derzeit eine Kohärenzzeit nur von we nigen Mikrosekunden erreichen. In Bezug auf Quantengatterzeiten (d.h. der Ge schwindigkeit der Rechenoperationen) hat ein supraleitender Computer Werte im Nanosekundenbereich, während Ionenfallen nur Mikrosekunden erreichen. Architekturen auf der Grundlage von Ionenfallen können deswegen im derzeiti gen Entwicklungsstadium längere und komplexere Algorithmen besser verarbei ten, während supraleitende Quantencomputer höhere Geschwindigkeiten errei chen, die aber bisher nur sehr kurz andauern. Ein wichtiger Faktor ist auch das technische Umfeld von Quantenrechnern. Supraleitende Quantencomputer müssen bis nahezu auf den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt werden und benötigen Vakuum. Der Bau des ersten supraleitenden Quantencomputers von IBM außerhalb der USA in Ehningen bei Tübingen und damit der erste Quan tencomputer in Deutschland, der im Juni 2021 u.a. von Bundeskanzlerin Angela Merkel eingeweiht wurde 32 , dauerte zwei Jahre, wobei viele Teile wegen der ho hen Qualitätsanforderungen von Hand gefertigt werden mussten. IBM und Google nutzen den Ansatz supraleitender Quantenrechner, während beispiels weise Honeywell und IonQ Ionenfallen als Basis für ihre Quantencomputer ver wenden. Daneben gibt es noch weitere Ansätze wie die sog. Quanten-Annealer, die auf Qbits in supraleitenden Schaltkreisen basieren. Mit dem Quanten-Annealer-An satz lassen sich nicht die gleichen Quantenalgorithmen wie bei supraleitenden Quantencomputern implementieren, jedoch können damit bestimmte Optimie rungen (z.B. Maschinenlernen oder Kombinatorik) effektiver gelöst werden. D Wave und Fujitsu sind Unternehmen, die Quantenrechner auf der Basis von Quanten-Annealing produzieren. Ein völlig anderes Konzept wird dagegen bei spielsweise vom US-Start-up Rigetti Computing angewandt, die Quantenpro zessorchips entwerfen und bauen lassen. Ein abschließendes Urteil, welches Konzept vorne liegen wird, ist noch nicht möglich. Der Quantenphysiker John Preskill hat für den derzeitigen Stand der Forschung an Quantencomputern den Begriff Noisy Intermediate Scale Quan tum (NISQ)-Ära geprägt 33 , wobei es mindestens ein Jahrzehnt dauern wird, bis neue Quantensysteme entdeckt oder bestehende Qbit-Systeme entscheidend verbessert werden. Die weitere Entwicklung der verschiedenen Ansätze muss deswegen aufmerksam verfolgt werden. Quantencomputer: Die Überwindung digital-binärer Grenzen Ein Quantencomputer ist eine Rechenmaschine auf Basis der Quantenmecha nik, die in Quantensystemen mit einzelnen Photonen Energiezustände von Quantenbits (Qbits) erzeugt und durch Manipulation nutzt, um die Information zu kodieren und zu verarbeiten. Qbits haben die seltsam erscheinende Eigen schaft, dass sie gleichzeitig eine Reihe von Werten einnehmen („Superposi tion"). Digitale Computer, die nach den Gesetzen der klassischen Physik operie ren, sind dagegen in der Zahl der Zustände beschränkt und arbeiten mit einem strengen Binärcode („0" bzw. „1"). 32 https://www.fraunhofer.de/en/events/inauguration-quantum-computing-research-platform.html 33 Preskill, John (2018). Quantum Computing in the NISQ era and beyond. Quantum, Vol. 2, 79. S. 1-20. Wirtschaftlich-technologische Revolution durch Quantum 2.0 13 | 9. Dezember 2021 Deutschland-Monitor Seit Ende der 1990er Jahre wurden verschiedene experimentelle Prototypen vorgestellt. Für supraleitende Quantenrechner lässt sich diese Entwicklung un terteilen in eine Entwicklungsperiode von 1999-2015 und seit Frühjahr 2016 die Ära der Cloud-Quantenprozessoren. 34 Quantenvorteil: Wurde ein spektakulärer Meilenstein erreicht? Derzeit findet ein Wettlauf um den Bau des ersten robusten Quantencomputers statt, der einen echten Quantenvorteil bieten würde und für wissenschaftliche und wirtschaftliche Anwendungen einsetzbar wäre, d.h. ein solches System wäre um Dimensionen schneller als der leistungsfähigste existierende digitale Supercomputer. 2019 wurde von Google CEO Sundar Pichai verkündet, dass der Quantenrech ner Google Sycamore erstmals die „Quantum Supremacy" (sog. Quantenüberle genheit) erreicht habe, also eine um Dimensionen höhere Rechenleistung als 34 BSI (2020). Entwicklungsstand Quantencomputer. Berlin. S. 20 35 Honeywell Quantum Computer System Model H1. 36 IBM Quantum Roadmap. URL: https://research.ibm.com/blog/ibm-quantum-roadmap 37 IBM Quantum Roadmap. URL: https://research.ibm.com/blog/ibm-quantum-roadmap 38 IBM Quantum Roadmap. URL: https://research.ibm.com/blog/ibm-quantum-roadmap Was ist ein Quantencomputer? 4 Ein Quantencomputer ist ein komplexes technisches Gerät, das auf vielen Ebenen funktionieren muss. Seine Grundbestandteile - die Quantenbits - sind komplizierte physikalische Objekte, die darauf beruhen, dass eine bestimmte experimentelle Modalität auf die Spitze getrieben wird. Ande rerseits sind die Algorithmen, die auf einem Quantencomputer ablaufen, bereits komplexe Codes, auch wenn sie aufgrund der Leistung des Quantencomputers natürlich nicht so umfangreich sind wie einige moderne klassische Anwendungen. Diese Elemente sind durch einen Stack mit mittle rem Detaillierungsgrad miteinander verbunden. Die Herausforderung, den Stand der Technik der Konstruktion eines Quantencomputers zu bewer ten, besteht im Wesentlichen darin, die Maschine auf all diesen Ebenen zu bewerten und diese Be wertungen in einem Urteil zu verbinden. Quelle: BSI (2020). Entwicklungsstand Quantencomputer. Berlin. S. 37 Entwicklung von Quantenrechnern von 1998 - 2023 5 Unternehmen Land Anzahl Qbits Quanten- Volumen 1998 IBM, Oxford, Berkeley, Stanford, MIT USA 2 Qbits 2001 TU München Deutschland 5 Qbits 2000 Los Alamos National Laboratory USA 7 Qbits 2006 MIT USA 12 QBits 2008 D-Wave System TWO Kanada 28 Qbits 2017 IBM Q Experience USA 50 Qbits 2019 Intel USA 49 Qbits Google Sycamore USA 54 Qbits IBM Raleigh USA 28 Qbits 32 Honeywell H0 USA 6 Qbits 64 2020 D-Wave „Advantage" (only via cloud) Kanada 5,000 Qbits Rigetti Aspen-8 on AWS USA 31 Qbits IBM Falcon USA 27 Qbits 128 Jiuzhang Photonic Quantum System China 76 Qbits (Peak) Honeywell H1 35 USA 10 Qbits 512 2021 Rigetti Aspen-9 USA 32 Qbits IBM „Eagle" 36 USA 127 QBits 2022 IBM „Osprey" 37 USA 433 Qbits 2023 IBM „Condor" 38 USA 1,121 Qbits Quelle: Deutsche Bank Research Wirtschaftlich-technologische Revolution durch Quantum 2.0 14 | 9. Dezember 2021 Deutschland-Monitor ein konventioneller digitaler Superrechner. Das zugrundeliegende Experiment wurde danach publiziert 39 und löste eine weltweite Berichterstattung aus. Für das Google-Experiment wurde eine speziell für Quantenrechner entworfene Aufgabe verwendet, die sich „Random Circuit Sampling" nennt 40 und aus der Berechnung von Zufallszahlen, die einer bestimmten Verteilung aus der Quan tenphysik unterliegen müssen, besteht. Der Quantenrechner von Google benö tigte für die Lösung eine Zeitdauer von ca. 200 Sekunden. In der technischen Diskussion, die sich daraufhin entwickelte, wurde sowohl in methodischer Sicht Kritik geübt als auch hinsichtlich der Interpretation des Vor liegens einer Quantenüberlegenheit. Das Google-Experiment und die zugrunde liegende Methode des Benchmarkings sowie eine Verifikation von Fehlerkorrek tur sind beispielsweise durch das BSI 41 beschrieben und analysiert worden. Als Antwort auf die Ankündigung von Google wurde von Forschern von IBM 42 da rauf verwiesen, dass digitale Superrechner für die Lösung ca. 2,5 Tage brauch ten statt der von Google erwähnten 10.000 Jahre, die ein klassischer Super computer benötigen würde. Im Dezember 2020 verkündete ein Team chinesischer Forscher 43 um Jian-Wei Pan, dass sie mit einem photonischen Jiuzhang Quantensystem Quantenüber legenheit erreicht hätten. Parallel errechneten die Forscher, dass die Lösung des Experimentes, für die das Photonensystem etwas mehr als drei Minuten be nötigte, mit Chinas leistungsstärkstem Supercomputer Sunway TaihuLight, mehr als 2 Milliarden Jahre gedauert hätte. Das Jiuzhang Quantensystem weist aller dings eine völlig andere Bauweise als supraleitende Quantenrechner auf und war nur auf dieses eine Experiment ausgerichtet. Ob also bereits eine Quantenüberlegenheit erreicht ist, wird unterschiedlich be urteilt. Wann steht ein leistungsfähiger kommerziell einsetzbarer Quan tenrechner zur Verfügung? Der Physiker Robert Schoelkopf, der 2015 mit Kollegen der Yale University ein Quanten-Start-up gegründet hat, wird in einem Artikel in NATURE 44 mit der Aus sage zitiert, dass Schätzungen darüber, wie lange es dauern wird, einen univer sellen Quantencomputer zu bauen, zu pessimistisch sind. „Von dem Punkt aus, an dem wir uns vor zehn Jahren befanden, hätte man nie voraussehen können, wie weit wir heute sind", sagt er. „Innovative Hardware in Kombination mit Soft ware, die sich die am besten lösbaren Probleme herauspickt, bedeutet, dass wir nützliche Quantenberechnungen schneller erreichen werden, als die Leute den ken". Hartmut Neven, der Direktor des Google Quantum AI Laboratory, argumentierte 2017 45 , dass eine konservative Sichtweise auf das Quantencomputing den Ein druck erwecke, dass Anleger nur langfristig davon profitieren würden, dass aber kurzfristige Renditen mit kleinen Geräten möglich seien, die in den folgenden 39 Arute, Frank et al. (2019). Quantum supremacy using a programmable superconducting proces sor. NATURE, Vol. 574, S. 505-511. 40 Bouland, Adam et al. (2019). On the complexity and verification of quantum random circuit sam pling. NATURE Physics, Vol. 15, S. 159-163. 41 BSI (2020). Status of quantum computer development. Entwicklungsstand Quantencomputer. Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI), Berlin. S. 21, 57, 60-61, 215-217. 42 IBM Research Blog, URL: https://www.ibm.com/blogs/research/2019/10/on-quantum-supremacy/ 43 Zhong, Han-Sen et al. (2020). Quantum computational advantage using photons. Science (Vol. Dec.) URL: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abe8770 44 Gibney, Elizabeth (2019). The quantum gold rush. NATURE, Vol. 574, S. 22-24. 45 https://www.nature.com/articles/543171a Wirtschaftlich-technologische Revolution durch Quantum 2.0 15 | 9. Dezember 2021 Deutschland-Monitor fünf Jahren bis 2022 auf den Markt kämen, auch wenn diese noch keine voll ständige Fehlerkorrektur haben würden. Inzwischen spricht man bezüglich des Wachstums der Leistung von Quantencomputern vom „Nevenschen Gesetz" („Neven's Law" 46 ), das besagt, dass die Leistung von Quantencomputern dop pelt exponenziell wächst 47 wie die von digitalen Rechnern („Moore's Law"). Wenn man die IBM Roadmap 48 als Maßstab nimmt, nach der sich die Leistung von supraleitenden Quantenrechnern jedes Jahr etwa verdoppelt, und diese hochrechnet, dann könnte etwa im Jahr 2033 die Schwelle von einer Million Qbits erreicht sein, mit der ein robustes Quantenrechnen mit genügender Feh lerkorrektur erreicht wäre. Allerdings nur unter der Voraussetzung, dass die not wendigen Durchbrüche und technischen Meilensteine tatsächlich erreicht wer den. Ein solcher Durchbruch könnten u.a. Qutrits 49 sein, die auch bei der Quantente leportation eine wichtige Rolle spielen. Dadurch würde die Kapazität von Quan tenrechnern um eine Dimension erhöht bzw. bei weiteren Fortschritten um meh rere Dimensionen. Patente auf dem Gebiet des Quantenrechnens Die Anzahl der Patentanmeldungen auf dem Gebiet des Quantum Computing ist in den letzten Jahren stark gestiegen (2020: 1,787 gegenüber 2015: 667 und 2012: 557). Neben großen Unternehmen werden Patente zunehmend auch von Start-up-Unternehmen angemeldet. 46 Benannt nach Hartmut Neven, dem Direktor des Google Quantum Artificial Intelligence Lab. 47 Yoshida, Hubert (2019). Moore's Law is Replaced by Neven's Law for Quantum Computing. Hita chi Vantara, June 24, 2019. Available at: https://community.hitachivantara.com/s/article/moores law-is-replaced-by-nevens-law-for-quantum-computing 48 https://www.ibm.com/blogs/research/2020/09/ibm-quantum-roadmap/ 49 Erhard, Manuel et al. (2020). Advances in high-dimensional quantum entanglement. Nature Re views - Physics, Vol.2, S. 365-381. 252 66 85 105 116 141 363 421 737 1.344 3.630 0 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 Andere Taiwan Kanada WIPO Australien Südkorea Europäisches Patentamt Japan China USA Gesamt Anmeldungen von Quantenpatenten (1999 - 2021) 6 Quelle: Statista, Deutsche Bank Research weltweit [2021] Wirtschaftlich-technologische Revolution durch Quantum 2.0 16 | 9. Dezember 2021 Deutschland-Monitor E. Quantensoftware Quantencomputer bieten inzwischen die Möglichkeit, Quantensoftware zu tes ten. Quantensoftware ist ein dynamisches Feld, das sich unabhängig von Quan tenhardwarearchitekturen entwickelt. - In der Softwareentwicklung für Quantenrechner dominiert Python 50 als eine Open Source-Programmiersprache. - Die Entwicklungsumgebung Qiskit 51 von IBM unterstützt Python. - Silq 52 ist eine neue High Level-Programmiersprache für Quantencomputer, die an der ETH Zürich entwickelt und erstmals 2020 publiziert 53 wurde. - Microsoft hat mit Q# 54 eine eigene Open Source-Programmiersprache für Quantum Computing im Angebot als Teil des Quantum Development Kits (QDK). - Das Quantensoftwareunternehmen Cambridge Quantum Computing (CQC) bietet ein Quantensoftware-Entwicklungs-Kit (SDK) tket (ausgesprochen „ti cket") an, bei dem alle Lizenzbeschränkungen für die Verwendung des Py thon-Moduls von tket (bekannt als „pytket") aufgehoben wurden. Es ist ar chitekturunabhängig . Die Entwicklung von Quantensoftware wird aktuell weltweit in vielen Projekten vorangetrieben. Analog der klassischen Softwarearchitektur entstehen dabei Quantum Compiler, Quantum Assembler, Spezialsoftware und Bibliotheken (Quantum Full Stack). Quantensoftware hat gegenüber herkömmlicher Software einige Besonderheiten, die ein neues Gebiet der Informatik entstehen lassen. Insbesondere baut Quantensoftware auf einer vollständig anderen Logik auf (siehe unten). Nutzer aus Wissenschaft und Industrie können bereits heute Zugang zu Hoch leistungs-Quantencomputern über die Cloud erhalten, was von Zehntausenden von Forschern und Unternehmen genutzt wird. Die Nachfrage nach Angeboten, 50 https://www.python.org/ 51 https://qiskit.org/ 52 https://silq.ethz.ch/ 53 https://files.sri.inf.ethz.ch/website/papers/pldi20-silq.pdf 54 https://docs.microsoft.com/en-us/azure/quantum/overview-what-is-qsharp-and-qdk Patentanalyse als Indikator für Quantenfortschritt 7 Die Patentanalyse ist eine bewährte Methode zur Bewertung des wirtschaftlichen Potenzials neuer Technologien. Es wurden mehrere Studien über Patentierungstrends bei Quantentechnologien durchgeführt […]. Alle diese Studien stützen sich auf Suchwerkzeuge, die auf Schlüsselwörtern und Codes der Internationalen Patentklassifikation (IPC) oder der Kooperativen Patentklassifikation (CPC) basieren, und es gibt keinen Hinweis darauf, dass sie von Personen mit einem Hintergrund in Quantenphysik erstellt wurden. Unter diesen Umständen besteht die Gefahr, dass sie dem untersuchten Bereich eine gleichblei bende Anzahl von Patenten aus anderen technologischen Bereichen zuordnen („falsch-positive" Patente) und damit beim Leser den Eindruck erwecken, dass der Stand der Technik höher ist als er tatsächlich ist, und dass die Industrie ein größeres Interesse daran hat. Dieses Risiko wird durch die Tatsache verstärkt, dass das Hauptziel der meisten dieser Berichte darin besteht, das Interesse potenzieller Kunden und Investoren an diesem Bereich zu wecken. Ein solches Ziel wird besonders deutlich in den Marktanalysen, die von mehreren technischen Bera tungsunternehmen erstellt und verkauft werden. In der Regel haben wir festgestellt, dass sie ein viel rosigeres Bild von der technologischen Reife und dem Marktpotenzial dieser Technologien zeichnen, als es vernünftigerweise zu erwarten wäre. Quelle: Travagnin, Martino (2019). Patent analysis of selected quantum technologies. European Commission, Joint Research Centre (JRC), Ispra/Italy. Publications Office of the European Union, Luxembourg. p. 2 252 66 85 105 116 141 363 421 737 1.344 3.630 0 1.000 2.000 3.000 4.000 Andere Taiwan Kanada WIPO Australien Südkorea Europäisches… Japan China USA Gesamt Quantum Computing-as-a-Service 8 Quelle: Deutsche Bank Research Wirtschaftlich-technologische Revolution durch Quantum 2.0 17 | 9. Dezember 2021 Deutschland-Monitor eigene Quantensoftware-Projekte durchführen zu können, steigt weltweit so wohl durch einen Anstieg der Anwendungsfälle als auch der Nutzerzahlen. Die Präferenz der Nutzer wird einer der entscheidenden Faktoren sein bei der Entscheidung, welche Soft- und Hardware sich im Quantenrechnen durchsetzen wird. Viele große Technologieunternehmen haben sich dabei mit cloudbasierten Entwicklungsumgebungen positioniert, wie die beispielhafte Übersicht über heute schon bestehende Angebote zeigt. Durch die Zugangsmöglichkeit über die Cloud werden für Nutzer die technischen Eingangsbarrieren und Kosten drastisch gesenkt. Die Quantum Open Source Foundation (QOSF) bietet auf GitHub Zugang zu den folgenden Open Source Quantensoftware-Projekten: Gegenüberstellung von Digitalrechnen und Quantenrechnen Die Anwendungsfälle für das Quantencomputing überschneiden sich nur teil weise von denen für das herkömmliche digitale Computing. Dabei hat jede Me thode ihre spezifischen Stärken und Schwächen, was bedeutet, dass wir in eine neue Ära eintreten könnten, in der digitale Computer und Quantencomputer ne beneinander bestehen oder digitale und quantenbasierte Co-Prozessoren mitei nander kombiniert werden. Quantenrechner sollten dabei theoretisch im Falle komplexer Rechenprobleme um Dimensionen leistungsfähiger sein als klassi sche digitale Superrechner bzw. Probleme lösen können, die bisher als unlös bar galten. Auswahl von Quantensoftwareumgebungen von Technologieunternehmen 9 Quantensoftware-Plattform URL IBM IBM Quantum Experience; IBM Qiskit https://www.ibm.com/de-de/quantum-computing https://www.ibm.com/quantum-computing/tools/ Microsoft Microsoft Azure Quantum; Microsoft QDK, Q# https://azure.microsoft.com/de-de/ser vices/quantum/ Google Google Quantum AI; Cirq https://quantumai.google AWS Amazon Web Services (AWS); AWS Braket https://aws.amazon.com/de/braket/ Alibaba Alibaba Quantum Lab https://damo.alibaba.com/labs/quantum CAS CAS (Chinese Academy of Sciences) Key Laboratory of Quantum Information http://lqcc.ustc.edu.cn/index/info/826 (in chinesischer Sprache, Übersetzung mit Browser) Quelle: Deutsche Bank Research 15 53 17 27 13 4 2 3 5 14 12 11 22 0 10 20 30 40 50 60 Open Source - Quanten-Softwareprojekte 10 Quelle: GitHub.com, Deutsche Bank Research Wirtschaftlich-technologische Revolution durch Quantum 2.0 18 | 9. Dezember 2021 Deutschland-Monitor Unterschied zwischen digitalen und quantenbasierten Rechenme thoden Primzahlenberechnung und Verschlüsselungsverfahren Die Analyse von Rechenaufgaben als Teilgebiet der Theoretischen Informatik beschäftigt sich mit der algorithmischen Lösbarkeit von Rechenproblemen, die in mehrere Komplexitätsstufen eingeteilt werden und deren Komplexität drama tisch variieren kann. Dabei wird der Unterschied zwischen Problemen, die sich mit konventionellen digitalen Rechenmethoden lösen lassen und denjenigen, die für Quantenrechner prädestiniert sind, wie folgt beschrieben: Unterschiede zwischen Digitalrechnen und Quantenrechnen 11 Digitalrechnen Quantenrechnen Beschreibung Digitale Computer nutzen Binärcode im ganzzahligen Bereich und den Zustän den von „0" und „1". Quantenrechner basieren auf der Quanten mechanik. Eine Anordnung von Qbits kann durch Überlagerung (Superposition) alle 264 möglichen Werte gleichzeitig darstel len (komplexer Zahlenbereich), sodass Probleme lösbar werden, die für di gitale Computer praktisch unmöglich zu lö sen sind. Stand der Technik Hochperformante Rechenleistung durch digitale Computerchips und Spezialpro zessoren in den unterschiedlichsten Ge räten von Smartphones über Notebooks und PCs bis hin zu Servern, Grid Com puting und Superrechnern. Noch nicht kommerziell einsetzbar. Derzeit in Forschung bzw. Erprobung; verschie dene Hardware-Strategien im Wettbewerb; Quantum Software in Entwicklung; Geräte für die Teleportation und künftige Quanten informationsnetze in der Entwicklung. Stärken Etablierte Technologie mit weltweit mehreren Milliarden Nutzern und Millio nen von Programmierern. Rechnen mit annähernd Lichtgeschwindig keit, massiv paralleles Rechnen. Schwächen Bestimmte Rechenprobleme sind nicht lösbar bzw. nicht in annehmbarer oder endlicher Zeit. Zukünftige Technologie, die ein neues Denken erfordert; erst einige Zehntau sende Nutzer und eine sich entwickelnde Programmierer-Community. Quelle: Deutsche Bank Research Klassen von rechnerischen Entscheidungsproblemen 12 Digitalrechnen Quantenrechnen Klasse der lösbaren Entscheidungsprobleme BPP (Bounded-Error Probabilistic Polynomial Time) BQP (Bounded Error Quantum Polynomial Time) Fehlerwahrscheinlichkeit Automatisierte Verfahren zur Be handlung von Funktionsstörungen und Maschinenfehlern Fehlerkorrektur Fehlerunterdrückung (noch zu entwickeln) Benötigte Zeit O (n log n) O (n 2 ) Quelle: Deutsche Bank Research Wirtschaftlich-technologische Revolution durch Quantum 2.0 19 | 9. Dezember 2021 Deutschland-Monitor Ein Beispiel für das unterschiedliche Verhalten von Digitalrechnern und Quan tencomputern ist die mathematische Primzahlbestimmung (Faktorisierung) 55 , die u.a. für die Datensicherheit beim Datenaustausch mit Verschlüsselung eine zentrale Bedeutung hat. Die folgende Tabelle gibt eine Vorstellung der sich exponentiell entwickelnden Vorteile bei der Rechenzeit von Quantenrechnern gegenüber digitalen Compu tern. Bei komplexeren Berechnungen wirkt sich der Zeitvorteil von weniger Rechen operationen bei Quantenrechnern exponentiell noch weit stärker aus. Beispiels weise werden bei Verschlüsselungen mit dem RSA-Verfahren bis zu 600-stel lige Zahlen verwendet. Während eine Verschlüsselung mit privaten und öffentli chen Schlüsseln in eine Richtung leicht zu errechnen ist, ist die umgekehrte Richtung (Umkehrfunktion) mit digitalen Hochleistungsrechnern sehr aufwändig und stellt damit bei geeigneten Schlüssellängen für heute übliche kryptografi sche Verfahren keine direkte Bedrohung dar. Laut Aussage der Bundesregie rung 56 stellen Quantenalgorithmen nach dem heutigen Stand der Forschung keine Gefahr für symmetrische Verschlüsselungsverfahren dar. Quantenalgo rithmen (wie Grover-Suche und das Simon-Problem) haben jedoch Implikatio nen für die symmetrische Kryptografie, insbesondere für Schlüssellängen und Betriebsarten. Allerdings würden Quantencomputer die heute verwendete Public-Key-Krypto grafie gefährden, da asymmetrische Verfahren wie RSA u.a. auf dem Faktorisie rungsproblem beruhen. Das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstech nik (BSI) erläutert dies wie folgt: „Es ist allgemein bekannt, dass ein genügend skalierbarer Quantencomputer die gegenwärtig verwendeten asymmetri schen Kryptosysteme basierend auf RSA und elliptischen Kur ven brechen würde. Seit der Publikation von Shors Algorithmus (1994) existieren nämlich Polynomialzeit-Quantenalgorithmen zur Faktorisierung von RSA-Modulen und Berechnung des dis kreten Logarithmus auf elliptischen Kurven." 55 Köbler, Johannes und Olaf Beyersdorff (2006). Von der Turingmaschine zum Quantencomputer - ein Gang durch die Geschichte der Komplexitätstheorie. In: Reisig, Wolfgang und Johann Chrisoph Freytag (Hrsg.) Informatik. Aktuelle Themen im historischen Kontext. Springer-Verlag Berlin/ Heidelberg. S. 165-195. Montanaro, Ashley (2016). Quantum algorithms: an overview. npj Quantum Information, Macmillan Publishers. 56 Deutscher Bundestag (2021). Die Verschlüsselungspolitik der Bundesregierung. Antwort der Bun desregierung. Drucksache 19/26340. Tabelle: Rechenvorgänge und Rechenzeit im Vergleich 13 Quelle: Deutsche Bank Research Digitalrechner Quantenrechner n n n 2 n 15 437.893.890.380.859.000 32.768 13 302.875.106.592.253 8.192 11 285.311.670.611 2.048 10 10.000.000.000 1.024 9 387.420.489 512 7 823.543 128 5 3.125 32 3 27 8 1 1 2 0 1 1 Wirtschaftlich-technologische Revolution durch Quantum 2.0 20 | 9. Dezember 2021 Deutschland-Monitor Deswegen wird aktuell an neuen Standards der Verschlüsselung geforscht, z.B. durch Organisationen wie das US National Institute of Standards and Techno logy (NIST), das European Technical Standards Institute (ETSI) und das Bun desamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI). Dabei führt das NIST ei nen Wettbewerb zum Erreichen von Post-Quantum Cryptography (PGC) durch 57 . Sobald sich entsprechende Standards durchgesetzt haben, werden diese die nächste Generation von Verschlüsselungsverfahren bis hin zu einer robusten Post-Quanten-Kryptografie bilden. Quantenlogistik Die Quantenlogistik beschäftigt sich mit komplexen Routingproblemen, z.B. zur Planung und Steuerung von Fahrzeugflotten oder der Berechnung von Wegstre cken, was auch für selbstfahrende autonome Systeme relevant ist. Ein klassi sches theoretisches Problem ist das „Traveling Salesman Problem" (TSP), das sich täuschend einfach anhört, jedoch seit Jahrhunderten Wissenschaftler und Praktiker vor Rätsel stellt. Es geht dabei beispielsweise um die Fragestellung, wie sich die kürzeste Wegstrecke für ein Lieferfahrzeug bestimmen lässt, um Pakete an jeweils eine Adresse in verschiedenen Städten auszuliefern. Ziel ist es, die kürzeste Route zu finden, die jede Stadt genau einmal durchläuft und dann zum Ausgangspunkt in der ersten Stadt zurückkehrt. Dabei spielen meh rere Faktoren eine Rolle, die zusammen ein Rechenproblem ergeben, das ex ponentiell mit einer steigenden Anzahl von Wegpunkten wächst: die Vektorisie rung des Netzwerkes (Graphentheorie), die Reihenfolge der Wege (Kombinato rik) und die Auswahl der in Summe kürzesten Route (Optimierung). Im Jahr 2020 gelang es einem Forscherteam um Takayuki Kawahara in Tokio mit einem speziellen Design für einen KI-Chip 58 , das TSP in einem Netzwerk mit 22 Städten 59 (d.h. Netzwerkknoten) zu lösen. Davor hatte die maximale Lösbar keit mit digitalen Schaltkreisen bei 16 Knoten gelegen. Eine Übersichtsstudie 60 aus dem Jahr 2020 ermöglicht dazu einen Einblick in die Praxis von Optimie rungsproblemen mit Quantensoftware. Sobald leistungsstärkere Quantenrech ner verfügbar sind, werden quantenbasierte Rechenmethoden eine drastische Steigerung dieser Schwelle ermöglichen und komplexere Routingprobleme wer den lösbar. F. Quantenkommunikation: Hochleistungsnetze und die Vision eines Quanteninternets Die Forschungen für eine nächste Generation von Quanteninformationsnetzwer ken (Quantum 2.0) haben bereits begonnen. Dafür sind sowohl technische Durchbrüche im Bau von Quantencomputern bzw. Quantenchips als auch bei einer Reihe von optischen Netzwerk- und Schaltelementen für eine zukünftige quantenbasierte Netzwerkinfrastruktur notwendig. Die langfristige Vision ist es, dass Netzwerke zur Übertragung von Quanteninformation zu einem neuen Inter net werden, das durch die erhöhte Rechenleistung von Quantenrechnern und optischer bzw. quantenbasierter Datenübertragung eine um Dimensionen hö here Leistungsfähigkeit und Geschwindigkeit erreicht. 57 https://csrc.nist.gov/projects/post-quantum-cryptography 58 URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/9108766 59 https://www.eurekalert.org/news-releases/840425 60 Warren, Richard H. (2020). Solving the traveling salesman problem on a quantum annealer. SN Applied Sciences, Vol. 2 (7). URL: https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s42452-019 1829-x.pdf Wirtschaftlich-technologische Revolution durch Quantum 2.0 21 | 9. Dezember 2021 Deutschland-Monitor Dazu tragen verschiedene verwandte Gebiete wie die Quantenmechanik, Quan teninformationstheorie, Quantenkanalcodierung, Quantenfehlerkorrektur und Quantenkryptographie bei. 61 Ein grundlegendes Phänomen der Quanteninformationswissenschaft ist die Te leportation. Quantenkommunikation und ein zukünftiges Quantum-Internet ba sieren auf der Übertragung von Quanteninformationen von einem Sender zu ei nem Empfänger. Dafür werden verschränkte Photonen so manipuliert, dass sie binäre Informationen übertragen können. Die Reichweite zur quantenbasierten Informationsübertragung per Glasfaser oder über Laser innerhalb der Erdat mosphäre wird durch Störeffekte beschränkt, da nur wenige Photonen in ver schränktem Zustand am Ziel ankommen. In den letzten Jahren wurden durch eine Reihe von Experimenten durch Wissenschaftsteams aus Österreich und China, geleitet von dem Pionier Prof. Zeilinger aus Wien, durch Teleportation quantenbasiert Informationen in der Erdatmosphäre übertragen. So wurde im Jahr 2012zwischen zwei kanarischen Inseln eine Übertragung über 143 km er reicht. 62 Quantensatelliten können verschränkte Photonen durch das Vakuum im Weltall weitgehend ungestört übertragen. Im August 2016 wurden vom chinesischen Forschungssatelliten „Micius" Quanteninformationen zu zwei Bodenstationen in China über bis zu 1.203 km Entfernung übertragen. 63 Allerdings ist dies bisher nur nachts möglich, da sonst die Photonen vom Tageslicht abgelenkt werden. Eine quantenbasierte Übertragung zwischen zwei Satelliten im Weltall wurde durch Indien 2021 bekanntgegeben. 64 Ein weiterer zentraler Meilenstein wurde 2019 von einem Forschungsteam um Anton Zeilinger am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften erreicht 65 - in Kooperation mit einem chinesischen Team der University of Science and Technology of China (USTC) (Hefei/Anhui Provinz) um Jian-Wei Pan. Es gelang dabei erst mals, dreidimensionale Zustände (Qutrits) von Photonen zu übertragen. In der weiteren Entwicklung könnte dies die Quantenteleportation sehr großer Daten mengen ermöglichen, da nicht nur wie bisher zweistellige Quantenzustände (Qbits) zur Informationsübertragung bereitstehen würden, sondern diese mit fortschreitender Quantentechnologie theoretisch n-stellig erweitert werden könn ten. In Deutschland fördert die Fraunhofer-Gesellschaft 66 ein Forschungsvorha ben, um innovative Hardware für Quantenkommunikation zu schaffen. Die hohe strategische Bedeutung eines Quanteninternets als Supertechnologie und dessen viele Vorteile mit einer um Dimensionen höheren Übertragungsge schwindigkeit und Bandbreite und damit einer Überwindung der Kapazitätseng pässe des aktuellen Internets sowie einer bisher nicht erreichbaren Abhörsicher heit ermöglichen intensive Forschungsaktivitäten, was eine Realisierung dieser noch langfristigen Vision wahrscheinlicher werden lässt. So ist auch das Fermi lab 67 als nationale US-Forschungseinrichtung in Zusammenarbeit mit AT&T und 61 Hayashi, Masahito et al. (2015). Introduction to Quantum Information Science. Graduate Texts in Physics. Springer-Verlag, Berlin/ Heidelberg. 62 Erhard, Manuel et al. (2019). Advances in High Dimensional Quantum Entanglement. arXiv:1911.10006v2 [quant-ph]. 63 https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.aan3211 64 https://www.isro.gov.in/update/22-mar-2021/isro-makes-breakthrough-demonstration-of-free space-quantum-key-distribution-qkd 65 Krenn, Mario und Manuel Erhard (2019). Quantenteleportation in höheren Dimensionen. Physik in Unserer Zeit, Vol. 50 (6), S. 269-270; https://www.iqoqi-vienna.at/detail/news/qutrit-complex quantum-teleportation-achieved-for-the-first-time 66 Fraunhofer-Gesellschaft (2020). Forschungsprojekt „InteQuant". URL: https://www.iof.fraunhofer.de/de/presse-medien/pressemitteilungen/2020/intequant.html 67 https://quantum.fnal.gov Wirtschaftlich-technologische Revolution durch Quantum 2.0 22 | 9. Dezember 2021 Deutschland-Monitor mehreren Universitäten an Forschung zur Quantenteleportation beteiligt 68 , im Hinblick auf ein zukünftiges Quantum-Internet. Im Juli 2020 hat das US Department of Energy einen Entwurf (Blueprint) für ein Quantum-Internet vorgestellt 69 , das bereits einen Vorschlag für eine zukünftige Netzwerkarchitektur enthält. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein Quantum-Internet als langfristige Vision zwar noch in der Zukunft liegt, jedoch bereits bedeutende Meilensteine in der Konzeption (Network Stack), der Herstellung von notwendigen Komponen ten und der Erprobung der Übertragung von Quanteninformationen (Quantente leportation) erreicht sind. G. Globale Ansätze zur Unterstützung von Quan tentechnologien Nationale Quantenstrategien und Initiativen Weltweit haben mehr als 60 Länder Quantentechnologie-Initiativen ins Leben gerufen und teils auch nationale Quantenstrategien definiert. Diese Initiativen und die Finanzierung durch internationale Organisationen und staatliche Ak teure tragen dazu bei, die hohen technischen Barrieren durch die Bereitstellung öffentlicher Mittel im Bereich von Hunderten Millionen bis zu Milliarden von USD und der Finanzierung einer Forschungsinfrastruktur zu überwinden. Abgesehen von den erhofften Verbesserungen für Produktivität und Wettbewerbsfähigkeit haben Quantum 2.0-Technologien auch eine sicherheitspolitische Relevanz, beispielsweise für die Verschlüsselung und Nachrichtenübertragung. 68 Valivarthi, Raju (2020). Teleportation Systems Toward a Quantum Internet. American Physical Society, PRX QUANTUM 1, 020317, S. 1-16. Available at: https://journals.aps.org/prxquantum/pdf/10.1103/PRXQuantum.1.020317 69 https://www.energy.gov/articles/us-department-energy-unveils-blueprint-quantum-internet-launch future-quantum-internet Vergleich des TCP/IP 5 Referenzmodels mit dem Vorschlag für eine Quantum-Internet-Netz werkarchitektur 14 Schicht (Layer) Quanteninternet Netzwerkarchitektur Anwendung Verteilte Quantenalgorithmen Transportschicht Koexistenz mit der Steuerungsebene klassischer Netze Steuerungs-/ Kontroll- ebene Netzwerkschicht Verschränkungserzeugung (Entanglement) und speicherunterstützte Verteilung Datenschicht Datenübertragung supraleitend/photonisch Physikalische Verbindung Quantenprozessor/ Quantencomputer TCP/IP Network Stack Verschränkungsverteilung (Entanglement) Netz werkstapel Quelle: Deutsche Bank Research Wirtschaftlich-technologische Revolution durch Quantum 2.0 23 | 9. Dezember 2021 Deutschland-Monitor Quantenökosystem Ein weltweites Quantenökosystem hat sich in den letzten Jahren entwickelt, in dem sich Forschungsinstitutionen und Technologieunternehmen und sowohl staatliche als auch private Investoren vernetzen. Von den für diese Auswertung ausgewählten 210 Quantum-Start-ups kommen 64 Quantum-Start-ups (30,4%) aus EU-27 Ländern, etwa ein Viertel (24,8%) aus den USA, und jeweils etwa ein Achtel (12,9%) aus dem Vereinigten König reich und Kanada. Insgesamt 184 bzw. 88% der Quantum-Start-ups teilen sich auf 15 der insgesamt 33 Länder auf. Die meisten dieser Länder haben nationale Quantum-Strategien, verbunden mit einem Budget von jeweils mehreren Hun dert Mio. USD. Für China könnte die Anzahl der Start-ups allerdings wesentlich höher liegen, da keine Informationen über diese Unternehmen vorliegen und staatliche Forschungsinstitutionen teilweise eigene Quantenforschungslabors betreiben, die Start-ups gleichzusetzen sind. Die drei führenden Länder bzw. Regionen auf dem Gebiet der Quantentechnologien 70 sind die Vereinigten Staa ten (Quantencomputer), Europa (Quantenmechanik und Lasertechnologie) und China (Quantenkommunikation und -kryptografie). 70 OECD-Ausblick zur digitalen Wirtschaft 2020. Quantum 2.0 - Ökosystem 16 Produzenten - Forschungsinstitutionen (Wissenschaftsakademien, Technolo giezentren, Innovationsagenturen) - Technologieunternehmen - Start-ups Nutzer - Unternehmen - Forscher - Software-Entwickler Investoren - Staatliche Stellen - Private Investoren Quelle: Deutsche Bank Research 52 28 27 10 9 8 7 7 7 6 6 5 5 4 4 3 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 10 20 30 40 50 60 USA UK Kanada Frankreich Japan Deutschland China Niederlande Spanien Indien Australien Polen Schweiz Israel Singapur Finnland Österreich Bulgarien Dänemark Estland Schweden Kolumbien Tschechien Griechenland Hongkong Irland Italien Norwegen Russland Südkorea Taiwan VAE Uruguay Quanten-Startups 17 pro Land [2020] Quelle: Deutsche Bank Research 14 6 2 2 1 1 1 1 1 1 USA Japan VR China Kanada Frankreich Deutschland Italien Niederlande Irland Australien Börsennotierte Quanten technologieproduzenten 15 pro Land [2021] Quelle: Deutsche Bank Research Wirtschaftlich-technologische Revolution durch Quantum 2.0 24 | 9. Dezember 2021 Deutschland-Monitor USA Die USA haben mit der National Quantum Initiative (NQI) 71 , die im Dezember 2018 vom US-Kongress angenommen wurde, den US-Präsidenten befugt, u.a. die Ziele und Prioritäten eines 10-Jahres-Plans zu bestimmen zur Entwicklung der Quanteninformationswissenschaft und von Quantentechnologieanwendun gen. Die NQI wurde von der Trump-Administration ins Leben gerufen und wird unter der Biden-Administration fortgeführt. 72 Sie ist eine Dachorganisation, unter der eine Reihe von Regierungsbehörden Programme für die Quantenwissen schaft und -technologie in den USA entwickeln und durchführen. Im Rahmen der NQI arbeiten staatliche, akademische und privatwirtschaftliche Organisatio nen zusammen, beispielsweise das NASA Ames - Quantum AI Laboratory (QuAIL) 73 , das Fermilab 74 , das Los Alamos National Laboratory 75 und das Law rence Livermore National Laboratory 76 . Als US-Behörde führt das National Insti tute of Standards and Technology (NIST) eine weltweite Initiative zum Erreichen von Post-Quantum Cryptography (PGC) an. 77 Die National Science Foundation (NSF) 78 und das Department of Energy (DOE) sind ebenfalls mit eigenen For schungszentren und Programmen 79 daran beteiligt, Quantentechnologien voran zutreiben. Darüber hinaus sind auch die großen Technologieunternehmen wie IBM, Google, Microsoft, Intel, Honeywell, aber auch Start-ups wie Rigetti Com puting und IonQ sowie viele andere aktiv an der Entwicklung von Quantencom putern beteiligt. VR China Die Volksrepublik China hat in ihrem aktuellen Fünf-Jahres-Plan (2021-2026) Wachstumsziele in fünf strategischen Bereichen der Wissenschaft und Technik festgelegt, wobei Durchbrüche unter anderem bei Quanteninformationstechno logie, Künstlicher Intelligenz, Halbleitern und in der Raumfahrt erwartet werden. In diesem Zusammenhang hat China das Staatsbudget erhöht und die Investiti onen in Forschung und Entwicklung von Quantentechnologien verstärkt, u.a. mit dem Ziel der Erforschung eines Langstrecken- und Hochgeschwindigkeits Quantenkommunikationssystems. Die Chinesische Akademie der Wissenschaf ten (CAS) nimmt dabei eine führende Rolle ein und hat Ressourcen mit der Uni versity of Science and Technology of China (USTC) in Hefei (Anhui Provinz) ge bündelt. Dort ist u.a. der chinesische Quantenphysiker Jian-Wei Pan als Profes sor tätig, der bei Anton Zeilinger 1999 in Wien promovierte und mit seinem Team an Durchbrüchen im Bereich der Teleportation beteiligt ist (u.a. mit dem Quantensatelliten „Micius"). In Hefei soll auch der erste Quantum Computing In dustrial Park für 60 Quantenunternehmen eröffnet werden. 80 Im Rahmen von CAS Quantum Net arbeitet ZTE an Quantensicherheitsanwendungen. In den letzten Jahren haben auch die Technologieunternehmen Alibaba (seit 2015) und die Suchmaschine Baidu (seit 2018) eigene Quantenforschungslabore er öffnet. Die Zahl der chinesischen Start-ups im Bereich der Quantentechnologie lässt sich nur schwer abschätzen, da dazu nur wenige Informationen vorliegen, 71 The US National Quantum Initiative Act. Public Law No: 115-368 (12/21/2018) 72 https://www.whitehouse.gov/ostp/news-updates/2021/10/07/readout-of-white-house-summit-on quantum-industry-and-society/ 73 https://ti.arc.nasa.gov/tech/dash/groups/quail/ 74 https://quantum.fnal.gov/ 75 https://quantum.lanl.gov/q_computing.shtml 76 https://quantum.llnl.gov/ 77 https://csrc.nist.gov/projects/post-quantum-cryptography 78 https://www.nsf.gov/mps/quantum/quantum_research_at_nsf.jsp 79 https://www.energy.gov/articles/us-department-energy-announces-61-million-advance-break throughs-quantum-information 80 https://thequantumdaily.com/2021/09/05/quantum-china-weekly-volume-21-2021-08-28-2021-09 03/ Wirtschaftlich-technologische Revolution durch Quantum 2.0 25 | 9. Dezember 2021 Deutschland-Monitor und weil staatsfinanzierte Spin-offs oder Abteilungen von Forschungszentren und Universitäten die Rolle von Start-ups einnehmen. Die Digitale Seidenstraße (Digital Silk Road, DSR) wurde 2013 im Rahmen der übergeordneten Seidenstraßen-Initiative (Belt and Road Initiative, BRI) zur Er reichung des Unterziels „Konnektivität" eingeführt. Durch Vereinbarungen im Rahmen der chinesischen Belt and Road Initiative bietet China anderen Län dern Zugang zu Mobilfunk-Technologien, einschließlich 5G, zu fortschrittlichen KI-basierten Überwachungsfunktionen und zukünftig den Zugang zu chinesi schen Quantentechnologien und Quanteninformationsnetzen. Europäische Union (EU-27) Zur Förderung der Forschung und Anwendungsentwicklung von Quantum 2.0 hat die EU 2017 eine Innovationsoffensive 81 eingeleitet. Das im Oktober 2018 gestartete Programm EU-Flaggschiff für Quantentechnologien (EU Quantum Technologies Flagship) 82 ist eine langfristig angelegte Forschungs- und Innova tionsinitiative. Im Rahmen des Quantum Technologies Flagship werden in einer Anfangsphase (Ramp-up) 24 Projekte mit 152 Mio. Euro und insgesamt For schungsarbeiten über einen Zeitraum von 10 Jahren mit 1 Mrd. Euro unterstützt. Die EU-Quantum-Innovationsoffensive nutzt auch Mittel aus dem EU Forschungsprogramm Horizon 2020. 83 Die europäischen Forschungs- und Technologieorganisationen (Europe's Rese arch and Technology Organisations; RTOs) sind einer der Eckpfeiler der EU Quantenstrategie, um eine wettbewerbsfähige Quantenindustrie aufzubauen durch eine Unterstützung des privaten Sektors. Angetrieben durch öffentliche Ausgaben sollen RTOs dabei die Kluft zwischen akademischem Wissen und in dustriellen Kapazitäten überbrücken. Unter Mitarbeit von mehr als 2.000 Quan tenexperten aus ganz Europa wurde die Strategische Forschungsagenda der EU für die Quantenforschung (SRA) 84 entwickelt, die Ziele für einen Zeitraum von drei Jahren und eine Vision für sechs bis zehn Jahre enthält. In Europa, den EU-27 Ländern, dem Vereinigten Königreich, der Schweiz und Russland gibt es eine sehr große Anzahl von international renommierten Forschungseinrichtun gen und Universitäten, die an der Quantenforschung beteiligt sind. Auch die hohe Zahl von ca. 64 relevanten Quantum-Start-ups in den EU-27-Ländern ist ein wichtiger Indikator für die Bedeutung des Quantenökosystems in Europa. Es ist eine Herausforderung, ob diese Start-ups ein ausreichendes Wachstum er reichen - und ob sie dann auch ihren Sitz in Europa behalten. Zu den großen europäischen Unternehmen, die bereits an Quantencomputern bzw. Quanten chips arbeiten, gehören Infineon und Bosch. 81 MIT Technology Review (2017). Europe Unveils Its Vision for a Quantum Future. The race to de velop the next generation of quantum technology just got hotter. URL: https://www.technologyreview.com/2017/12/20/146704/europe-unveils-its-vision-for-a-quantum-future/ 82 https://digital-strategy.ec.europa.eu/en/policies/quantum-technologies-flagship 83 https://ec.europa.eu/programmes/horizon2020/en/news/eu-funds-quantum-technology-projects 84 https://qt.eu/app/uploads/2020/04/Strategic_Research-_Agenda_d_FINAL.pdf Wirtschaftlich-technologische Revolution durch Quantum 2.0 26 | 9. Dezember 2021 Deutschland-Monitor H. Quantum Readiness: Szenarioanalyse und neues Denken Quantentechnologien können sich potenziell disruptiv auf jede Industrie auswir ken und neue Geschäftsmodelle und Lieferketten werden entstehen. Dies erfor dert eine spezifische Analyse, die die Eigenheiten unterschiedlicher Industrie sektoren, Unternehmens- und Produktprofile sowie der Flexibilität von Ge schäftsmodellen berücksichtigt, um auf ein günstiges Szenario hinarbeiten zu können. - Unternehmen sollten schon heute damit beginnen, sich mit Quantum 2.0 zu beschäftigen, wobei die Erprobung bzw. die Implementierung von Quanten technologien immer im Zusammenhang mit einer geschäftlichen Fragestel lung (Business Case) erfolgen sollte. - Innerhalb des Quantenökosystems ist ein Engagement von Industrieunter nehmen und eine Zusammenarbeit mit Forschungsinstitutionen zum heuti gen Zeitpunkt erforderlich, um die Entwicklung zukünftiger Quantentechno logien angesichts langer Entwicklungszeiten anzustoßen, zu finanzieren und bis zur Marktreife voranzutreiben. - Der Zugang zu einer quantentechnologischen Wissensbasis in konkreten Projekten bzw. je nach Bedarf ist eine Herausforderung, die im Talentma nagement und in der Aus- bzw. Fortbildung zu berücksichtigen ist. Eine Pri orität sollte auf Experten verschiedener Disziplinen und Facharbeiter ge setzt werden, um Quantentechnologien zur Marktreife entwickeln und an wenden zu können. - Das Verständnis von Quantentechnologien erfordert Wissen und Kennt nisse aus verschiedenen Wissenschaftsdisziplinen wie z.B. Mathematik, Physik, Chemie, Informatik und dem Ingenieurwesen. In Zusammenarbeit mit Forschungsinstitutionen und Universitäten kann ein Wissenstransfer bzw. die Entwicklung von Produkten gelingen. - Quantum 2.0-Technologien sind heute mit wenigen Ausnahmen noch nicht für den industriellen Einsatz in wissenschaftlich oder wirtschaftlich relevan ten Anwendungsfällen bereit. Allerdings wird sich das in den nächsten Jah ren ändern und neue Märkte, die im Zusammenhang mit spezifischen Quantentechnologien entstehen, können sich rasant entwickeln und schnell ein hohes Marktvolumen erreichen. Hermann P. Rapp (+49 69 910-43893, hermann-paul.rapp@db.com) Four Scenarios of Quantum Readiness 18 Quelle: Deutsche Bank Research Wirtschaftlich-technologische Revolution durch Quantum 2.0 27 | 9. Dezember 2021 Deutschland-Monitor Bibliografie BSI (2020). Status of quantum computer development. Entwicklungsstand Quantencomputer. Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI), Berlin. Dowling, Jonathan P. und Gerard J. Milburn (2003). Quantum technology: the second quantum revolution. Phil. Trans. The Royal Society, London, Vol. 361, pp. 1655-1674. Just, Bettina (2020). Quantencomputing kompakt. Spukhafte Fernwirkung und Teleportation endlich verständlich. Springer Vieweg, Berlin. Ernst & Young (2019). Could quantum computing be the technology that drives your quantum leap forward? https://www.ey.com/en_gl/disruption/could-quan tum-computing-be-the-technology-that-drives-your-quantum-leap-forward Jaeger, Lars (2018). The Second Quantum Revolution. Springer Nature Switzer land, Cham. Kagermann, Henning, Florian Süssenguth, Jörg Körner und Annka Liepold (2020). Innovationspotenziale der Quantentechnologien der zweiten Generation. Acatech - Deutsche Akademie der Technikwissenschaften, München. URL: https://www.acatech.de/publikationen/ Kung, Johnny und Muriam Fancy (2021). A Quantum Revolution: Report on Global Policies for Quantum Technology. CIFAR, Toronto. McKinsey Quarterly (2020). A game plan for quantum computing. February 2020. https://www.mckinsey.com/business-functions/mckinsey-digital/our-in sights/a-game-plan-for-quantum-computing McKinsey (2021). Quantum Computing Monitor. URL: https://www.mckin sey.com/business-functions/mckinsey-digital/our-insights/tech-forward/the-cur rent-state-of-quantum-computing-between-hype-and-revolution Mochinaga, Dai (2020). The Digital Silk Road and China's Technology Influence in Southeast Asia. Council on Foreign Relations, New York. URL: https://www.cfr.org/blog/digital-silk-road-and-chinas-technology-influence-south east-asia UK Government Office for Science (2016). The Quantum Age: technological opportunities. London. In der Reihe „Deutschland-Monitor" greifen wir politische und strukturelle Themen mit großer Bedeutung für Deutschland auf. Darunter fallen die Kommentierung von Wahlen und politischen Weichenstellungen sowie Technologie- und Bran chenthemen, aber auch makroökonomische Themen, die über konjunkturelle Fragestellungen - die im Ausblick Deutsch land behandelt werden - hinausgehen. Deutschland-Monitor © Copyright 2021. Deutsche Bank AG, Deutsche Bank Research, 60262 Frankfurt am Main, Deutschland. Alle Rechte vorbehalten. Bei Zitaten wird um Quellenangabe „Deutsche Bank Research" gebeten. Die vorstehenden Angaben stellen keine Anlage-, Rechts- oder Steuerberatung dar. Alle Meinungsaussagen geben die aktuelle Einschätzung des Ver fassers wieder, die nicht notwendigerweise der Meinung der Deutsche Bank AG oder ihrer assoziierten Unternehmen entspricht. Alle Meinungen kön nen ohne vorherige Ankündigung geändert werden. Die Meinungen können von Einschätzungen abweichen, die in anderen von der Deutsche Bank veröffentlichten Dokumenten, einschließlich Research-Veröffentlichungen, vertreten werden. Die vorstehenden Angaben werden nur zu Informations zwecken und ohne vertragliche oder sonstige Verpflichtung zur Verfügung gestellt. Für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Angemessenheit der vorste henden Angaben oder Einschätzungen wird keine Gewähr übernommen. In Deutschland wird dieser Bericht von Deutsche Bank AG Frankfurt genehmigt und/oder verbreitet, die über eine Erlaubnis zur Erbringung von Bankge schäften und Finanzdienstleistungen verfügt und unter der Aufsicht der Europäischen Zentralbank (EZB) und der Bundesanstalt für Finanzdienstleis tungsaufsicht (BaFin) steht. Im Vereinigten Königreich wird dieser Bericht durch Deutsche Bank AG, Filiale London, Mitglied der London Stock Exchange, genehmigt und/oder verbreitet, die von der UK Prudential Regulation Authority (PRA) zugelassen wurde und der eingeschränkten Aufsicht der Financial Conduct Authority (FCA) (unter der Nummer 150018) sowie der PRA unterliegt. In Hongkong wird dieser Bericht durch Deutsche Bank AG, Hong Kong Branch, in Korea durch Deutsche Securities Korea Co. und in Singapur durch Deutsche Bank AG, Singapore Branch, verbreitet. In Japan wird dieser Bericht durch Deutsche Securities Inc. genehmigt und/oder verbreitet. 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Oktober 2021  Störungen der Lieferketten: Auch 2022 noch Konjunktur- und Inflationsrisiko . 28. September 2021  Wohnungspolitik in Deutschland: Linke und rechte Parteien mit nur kleiner Schnittmenge ................... 6. September 2021  Verteilungsfragen rücken in den Vordergrund: Mehr Anreize und Chancen statt mehr Umverteilung 30. August 2021  Vorfahrt der E-Mobilität vom Staat teuer erkauft .......... 5. August 2021  Die Rückkehr massiver Staatsausgaben: Wird dieses Mal wirklich alles anders? ........................ 4. August 2021  Nehmen die Inflationsrisiken in Deutschland tatsächlich zu? Oder machen wir uns wieder einmal umsonst verrückt? . 29. Juli 2021  Die deutsche EU-Politik post-Merkel: Grüner, aber finanzpolitisch weiterhin eher konservativ .. 27. Juli 2021
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