Für Sensoren und Computer

Die Quanten ziehen in den Alltag ein

9. Mai 2022, 11:40 Uhr | Heinz Arnold

Auf der »World of Quantum«, die im Rahmen der »Laser World of Photonics« stattfand, wurden bereits funktionierende Demonstratoren und Prototypen aus der Welt der Quantenechniken vorgestellt.

Ein Beispiel dafür ist Bosch. Das Unternehmen hat Anfang dieses Jahres den internen Start-up Quantum Sensing gegründet. »In der Grundlagenforschung beschäftigen wir uns schon seit vielen Jahren mit Quantentechnologien. Jetzt befinden wir uns in der Phase Produktentwicklung und wollen zeigen, wo der Mehrwert der Sensoren auf Basis der Quantentechnologie liegt«, sagte Florian Krist, Product Manager bei Bosch Quantum Sensing gegenüber Markt&Technik. Außerdem ginge es darum, neue Geschäftsmodelle auf Basis dieser Technologie zu entwickeln.

An voll funktionsfähigen Demonstratoren eines Quanten-Magnetometers und eines Quanten-Gyrometers hat Bosch bereits die Leistungsfähigkeit dieser Technik nachgewiesen. Ein entscheidender Vorteil: Gegenüber MEMS-basierten Sensoren liefern die Quantensensoren um den Faktor 1000 präzisiere Messungen. Die Anwendung der neuen Technik in der Medizin sei laut Krist schon in absehbarer Zeit möglich: Die Magnetometer können winzige Magnetfelder detektieren, etwa um Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson früher und genauer zu diagnostizieren. Quanten-Gyrometer eigenen sich für den Einsatz in der Navigation autonomer Systeme. Jetzt geht es vor allem darum, die Systeme weiter zu miniaturisieren und schließlich auf einem Chip zu integrieren.

Auch Trumpf beschäftigt sich mit Quantentechnologien und hat bereits 2018 das Start-up Q.ANT gegründet. Ihr erstes Produkt konnte Q.ANT auf der Messe in Halle A4 schon präsentieren: Den Prototypen eines auf photonischer Quantentechnologie basierenden Partikelsensors, der mithilfe von Laserstrahlen die genaue Position, die Größe im Bereich von 500 nm bis 700 µm, die Geschwindigkeit und die Bewegungsrichtung der Partikel ermitteln kann. Über KI lassen sich sogar zusätzliche Informationen gewinnen, beispielsweise über die Form der Partikel. Damit können weit mehr Daten generiert werden als über herkömmlich Messmethoden. Auf diese Weise können die Anwender ihre Prozesse in Echtzeit steuern sowie Ausbeute und Produktivität deutlich erhöhen.

Interessant ist das für viele Sektoren, beispielsweise für die Herstellung von Metallpulvern für den 3D-Druck, für die Zementherstellung oder für Reinigungsprozesse. Auch in der Biologie und Medizin finden sich zahlreiche Anwendungsfelder, so lassen sich beispielsweise tote von lebenden Zellen unterscheiden. »Interessierte Firmen können die Partikelsensoren mieten, um sie auf ihre Einsatzfälle anzupassen«, erklärt Maria Hohm, Application Engineer von Q.ANT. »Davon profitiert der Anwender genauso wie wir, wir können beide daraus lernen.« Einige Firmen hätten bereits Gebrauch von dem Angebot gemacht.

Außerdem arbeitet Q.ANT an weiteren Sensortypen, beispielsweise Magnetfeldsensoren, die kleinste Ströme von Nerven messen. »So könnten künftig beispielsweise Armprothesen direkt angesteuert werden«, erklärte Dr. Eugen Ermantraut, Project Lead Research & Development von Q.ANT, im Gespräch mit Markt&Technik. Diese Sensoren beruhen auf Diamanten mit Stickstofffehlstellen.
Ebenfalls arbeitet Q.ANT an der Entwicklung von miniaturisierten Gyroskopen, welche deutlich präziser als heutige MEMS-Gyroskope sind. Hier bilden miniaturisierten Gaszellen in Kombination mit optimierten Lasern die technologische Basis. Q.ANT will sie in Kleinsatelliten einsetzen, die damit so genau ausgerichtet werden, dass sie direkt optisch kommunizieren können, was einmal die Grundlage für ein Quanteninternet bilden könnte.

»Die Sensoren und die optischen Quantenchips basieren wie alle unsere Produkte auf unserem Quantum Photonic Framework«, so Ermantraut. Das Framework besteht aus drei Stufen. In der ersten findet die Umwandlung von Elektronen in Licht statt. In der zweiten Stufe werden Quantenzustände wie Superposition und Verschränkung hergestellt. In der dritten Stufe werden die Photonen wieder in Elektronen zurückverwandelt. Ziel ist, in spätestens fünf Jahren einen voll funktionsfähigen Quantenchip zu entwickeln, der heutige Computer ergänzt und leistungsfähiger macht. Für Quantencomputer entwickelt das Unternehmen zudem photonische Quantenchips. Erst kürzlich hat Q.ANT die Koordination des mit 50 Mio. Euro vom BMBF geförderte »PhoQuant«-Projektes übernommen.

Doch es muss nicht gleich der Quantencomputer sein. »Jetzt kommt es darauf an, zunächst die etwas tiefer hängenden Früchte zu ernten, Erfolge zu kommunizieren und Geld zu verdienen«, erklärte Dr. Peter Leibinger, CTO von Trumpf, auf der Panel-Diskussion »The Industry´s Expectations for Quantum Technologies« zur Eröffnung der »World of Quantum«. Deshalb sei es so wichtig, mit den Quantensensoren zu beginnen, und sich davon ausgehend in die weiteren Quantentechnologien und vor allem das Quantencomputing vorzuarbeiten.

Mit aller Kraft tun das die Quantencomputer-Start-ups, die auf der Messe vertreten waren. Sie sehen ihre jeweiligen Technologien schon kurz vor dem Durchbruch, verfolgen ambitionierte Pläne und zeichnen sich durch großen Optimismus aus. Nicht zuletzt wohl auch, weil sie ihre Investoren überzeugen müssen. So erklärte Dr. Mark Mattingley-Scott, General Manager EMEA von Quantum Brilliance, gegenüber Markt&Technik: »In zwei bis drei Jahren werden wir erste Anwendungen sehen.« Sein Ziel: einen Quantenchip zu entwickeln, der sich in ähnlichen Volumina herstellen lässt, wie die heutigen Halbleiterprozessoren und keinerlei exotische Infrastruktur zur Kühlung benötigen, wie die auf Supraleitung basierenden Typen. Dabei setzt Quantum Brilliance auf in Diamanten eingebrachte Fehlstellen durch implantierte Stickstoffatome (Nitride Vacancy). Die Vorteile: Sie arbeiten nicht nur bei Raumtemperatur, sie nehmen auch sehr wenig Platz ein.

Außerdem wird Quantum Brilliance laut Mattingley-Scott ein Fertigungsverfahren entwickeln, das die industrielle Produktion in sehr hohen Stückzahlen ermögliche. »Im Gegensatz zu heutigen Verfahren ist unser Prozess deterministisch, wir wissen immer, wo sich die Fehlstellen befinden – Voraussetzung für die industrielle Fertigung.« Das Nahziel besteht darin, die Quanten-Utility zu erreichen, das heißt einen Quanten-Accelerator, der mehr MIPS pro aufgenommene Energie sowie pro Volumen und Gewicht liefert als die traditionelle Technik. Dazu reichten nach seinen Worten 25 Qubits aus: »Etwas später werden die Quanten-Accelerators, die dann nicht größer als eine Grafikkarte sein werden, in Märkten wie Automotive, Robotik und in der Proesssteuerung arbeiten, also in Massenmärkten. Auf Basis der Diamanttechnik werden wir das Rennen gewinnen.«

Auch IQM, mit Hauptsitzen in Espoo, Finnland, und München sowie neuen Büros in Paris und Madrid, sieht sich im Rennen gut aufgestellt. Das Unternehmen liefert Quantenbeschleuniger für Supercomputing-Zentren und On-Premises-Quantencomputer für Forschungslabors. »Wir verkaufen unsere Quantencomputer bereits, der Auftragseingang liegt bei 50 Millionen Euro«, freut sich Stefan Rank, Marketingleiter von IQM Deutschland. »Derzeit liegt die Zahl der Qubits auf Basis der Supraleitertechnologie bei 5, in diesem Jahr werden wir Geräte mit 20 Qubits ausliefern, im nächsten Jahr wollen wir 50 Qubits erreichen.«

Anfänglich wird sich IQM auf Quantencomputer mit Hardware, Software und Algorithmen konzentrieren, die auf spezifische Probleme zugeschnitten sind. So sollen beispielsweise Monte-Carlo-Simulationen in Echtzeit für Banken und Versicherungen durchgeführt werden. Eine andere Möglichkeit: die Simulation von Kernspinresonanz im Nanobereich. »Solche anwendungsspezifischen Quantenprozessoren bilden die Überholspur auf dem Weg zum Quantenvorteil«, sagt Stefan Rank.

Auf 24 Qubits kommt bereits der Quantencomputer, den Alpine Quantum Technologies (AQT) auf seinem Stand ausstellen konnte, zugleich der kleinste Quantencomputer der Welt, wie Dr. Juris Almanis von Alpine Quantum Technologies im Gespräch mit Markt&Technik erklärte: »Er passt in zwei herkömmliche jeweils 1,7 m³ große Serverschränke.« Damit will AQT den Quantencomputer vom Labor in Datenzentren und Büroumgebungen bringen. Pro Rack genügt eine Leistung von 3,7 kW. Weil der Computer auf dem Prinzip der Ionenfallen-Technik beruht, benötigt er auch keine aufwendige Kühlung. Er fällt so klein aus, weil es gelang, die Größe einiger wesentlicher Komponenten stark zu reduzieren, insbesondere die des Herzstücks, der von AQT entwickelten Ionenfalle. Sie nimmt nurmehr den Bruchteil des Platzes herkömmlicher Ionenfallen ein.

Die Systeme von AQT wurden bisher bereits genutzt, um sie in verschiedenen Anwendungen auszuprobieren, darunter in der Chemie, der Risikoanalyse, der Quantensicherheit und für Aufgaben in der Entschlüsselungen sowie in der Finanzwelt. Dazu können die Anwender die bekannten Entwicklungsumgebungen für Quantensoftware heranziehen wie Qiskit, Cirq, PennyLane und Pytket. AQT ist zuversichtlich, noch in diesem Jahr eine Ionenfalle mit 50 Qubits vorstellen zu können.