Interview

Quantentechnologie - die Zweite

Quantentechnologie ist nicht unbedingt neu und erste quantentechnologische Entwicklungen wie z. B. Laser, Transistoren, Atomuhren längst bekannt. Eine zweite Generation quantentechnologischer Erfindungen ist auf dem Weg und erzeugt hohe Erwartungen für neue Anwendungsfelder.

Herr Prof. Wrachtrup, im Jahr 2000 hieß es, dass das 21. Jahrhundert das Jahrhundert des Photons sei – was ja auch ein Quantenteilchen ist – und dass das Jahr 1905 den Startpunkt der Quantentechnologie markiert. Nun - mehr als 100 Jahre nach diesem Startpunkt - erleben wir gerade einen Hype um die Quantentechnologie. Der Gartner Hype Cycle zeigt aber, dass z. B. Quantencomputing noch ca. 10 Jahre von der industriellen Anwendung entfernt ist. Wie passt der momentane Hype mitder langen Zeit zur Marktreife zusammen?

Das hat wohl mit zwei Entwicklungen zu tun. Einerseits hat es in den letzten Jahren einige spektakuläre wissenschaftliche Fortschritte gegeben. Nehmen wir z. B. das Quantencomputing. Hier ist es mit mehreren technischen Plattformen, z. B. den Ionenfallencomputern oder den supraleitenden Schaltkreisen gelungen, einen Weg zur Skalierung von Quantencomputern aufzuzeigen. Das hat andererseits einige große Firmen bewogen, in diese Technologien zu investieren. Ich selbst habe einige dieser neuen Labore besucht und bin beeindruckt von den Investitionen, die dort getätigt worden sind. In diesen Laboren wird sehr professionell an der Weiterentwicklung von Quantencomputern gearbeitet. Alle Entwicklungen sind allerdings noch eher im Stadium der Grundlagenforschung, von einer Anwendung von Quantencomputern sind wir daher noch ziemlich weit entfernt. Der Hype hat aber eine sehr konkrete Grundlage. Nur wer jetzt die technischen Voraussetzungen schafft wird eines Tages an den Resultaten partizipieren.

In welchen Bereichen werden die ersten industriellen Anwendungen der Quantentechnologie erwartet?
Allgemein erwarten wir, dass erste industrielle Anwendungen im Bereich der Quantensensorik entstehen werden. Hier gibt es bereits Prototypen, z. B. von Gravitationssensoren, die marktreife aufweisen und z. B. in der Geoexploration eingesetzt werden. Andere Systeme, z. B. miniaturisierte Magnetfeldsensoren befinden sich ebenfalls in der Markteinführungsphase. Quantenstandards, z. B. kompakte Atomuhren, sind ebenfalls so weit entwickelt, dass sie vor einem breiten Kundendenkeis eingesetzt werden können. Alle diese Geräte bedienen hochspezialisierte Anwendungen, haben dort allerdings das Potenzial diese grundsätzlich zu revolutionieren.

Sie forschen spezifisch zur Quantensensorik und zum Einzelatom-Quantensensor. Wie funktioniert ein solcher Sensor und welches sind die Vorzüge gegenüber bisheriger Sensortechnik?
Unsere Quantensensoren bestehen aus Fremdatomen, z. B. Stickstoffatomen, in Diamant oder Siliziumcarbid. Diese Materialien schirmen die Quantenzustände der Fremdatome sehr gut gegenüber äußeren Störungen ab, sodass man Quantenkohärenzen der Elektronenspins selbst unter Umgebungsbedingungen beobachten kann. Damit lassen sich erstmals kompakte Festkörperquantensensoren realisieren, die unter ganz verschiedenen äußeren Bedingungen funktionieren und nicht nur im Ultrahochvakuum und bei tiefen Temperaturen. Mit solchen Sensoren kann man z. B. Magnetfelder nachweisen, die etwa 105 mal kleiner sind, als das mit klassischen Sensoren möglich ist. Sie ermöglichen den Nachweis von Kernspinresonanzsignalen, immerhin eine der wichtigsten chemischen und biochemischen Analysemethoden mit einer Empfindlichkeitssteigerung von etwa 12 Größenordnungen.

Für welche Anwendungsgebiete ist der neue Sensor vorgesehen, welche Bereiche könnten am stärksten von seinem Einsatz profitieren?
Die ersten kommerziellen Sensoren befinden sich derzeit bereits in der Testphase für wissenschaftliche Anwendungen. Es handelt sich um miniaturisiere Diamantspitzen mit denen man Magnetfelder mit sehr hoher räumlicher Auflösung (einigen Nanometern) abbilden kann. Diese Spitzen werden vor allem für Materialuntersuchungen von mikro- und nanomagnetischen Strukturen eingesetzt. Wir arbeiten derzeit an makroskopischen Magnetfeldsensoren, die ca. 100 mal empfindlicher sind als die gegenwärtig auf dem Markt befindlichen, aber ähnliche Abmessungen aufweisen. Wir erwarten verschiedene Anwendungsfelder, vom Maschinenbau bis hin zur Sicherheitstechnik.

Wie könnte der der relativ lang angenommene Übergang von der Grundlagenforschung zur Quantensensortechnologie hin zu ersten Anwendungen im Markt beschleunigt werden?
Ich glaube, dass wir hier auf einem guten Weg sind. Entscheidend dafür, dass dieser Übergang gelingt, ist die Bereitschaft auf Seiten der Wissenschaftler und der Industrie, langfristig zusammenzuarbeiten. Hierfür sind in den vergangenen Jahren eine Reihe neuer Strukturen entstanden. Wir haben z. B. in Stuttgart und Ulm das „Institute for Quantum Science und Technology (IQST)“ gegründet, an dem verschiedene Industrieunternehmen beteiligt sind. Durch das Quantenflagship der Europäischen Union und das entsprechende Programm des BMBF wird die Zusammenarbeit von Grundlagenforschung und Unternehmen gefördert. Es entstehen gerade eine ganze Reihe Start-Up-Unternehmen, die aktuelle Entwicklungen aus der Wissenschaft in Produkte umsetzen. Mit mehr Wagniskapital könnte man diese Entwicklung sicherlich beschleunigen.

Welche Impulse erwarten Sie sich vom ZEISS-Symposium „Optics in the Quantum World“ für einen schnelleren und erfolgreichen Übergang von Erfindungen der Grundlagenforschung in vielfältig nutzbare Applikationen?
Das Symposium kann wichtige Impulse setzen. Wir befinden uns ganz am Beginn der Umsetzung der Quantentechnologie in industrielle Anwendungen. Symposien, bei denen diese Umsetzung diskutiert, wird sind daher gegenwärtig besonders wichtig. Besonders im Bereich der Quantentechnologien bildet sich gerade erst eine Workshop-Kultur heraus, bei der Industrie und Grundlagenforscher an gemeinsamen Veranstaltung teilnehmen. Das ZEISS-Symposium kann hier Zeichen für die Photonik setzen.

Neben der Quantensensorik werden auch große Erwartungen in das Anwendungspotenzial der Quantenbildgebung und Quantenkryptographie oder -sensorik. Wie sehen Sie den derzeitigen Entwicklungsstand dazu in Euopa im Vergleich zu den USA?
Europa hat eine sehr breit aufgestellte, hervorragende Community im Bereich der Quantentechnologien. Schaut man sich die Publikationen an, so kommen die meisten Beiträge aus Europa. Das liegt u. a. an der langjährigen Förderung der Europäischen Union. Europa ist also hervorragend aufgestellt.
Speziell im Bereich Quantencomputing haben aber die Investitionen amerikanischer Firmen für viel Furore gesorgt und auch die enormen Investitionen in China im Bereich der Quantenkommunikation haben Schlagzeilen gemacht. Ein Engagement von Firmen fehlt in Europa, was letztendlich daran liegt, dass es kaum große Weltmarktführer in der Informationstechnologie in Europa gibt. Darüber gerät leicht in Vergessenheit, dass es zahlreiche europäische Forschungsgruppen gibt, die die Forschung z. B. an Quantencomputer in internationalen Kooperationen auf höchstem Niveau voran­treiben. Lediglich bei der industriellen Umsetzung machen andere die Schlagzeilen.

Wir danken für das Gespräch.
Sylvia Kaschke, Redaktion photonik

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