Das Zusammenspiel von Quantentechnologien, Künstlicher Intelligenz (KI) und Blockchain erzeugt zunehmend systemische Synergieeffekte, die u. a. Innovationsprozesse beschleunigen, operative Effizienz steigern und neue Wertschöpfungsmechanismen ermöglichen. Dieses Whitepaper analysiert exemplarisch die Auswirkungen auf Industrie 4.02 und Robotik, Nachhaltigkeit, Energie und Klimasysteme, Finanzsysteme sowie den Weltraum. Weitere Anwendungsfelder, darunter Gesundheitswesen, Logistik und Mobilität, weisen ebenfalls ein hohes Transformationspotenzial auf, können hier jedoch nicht weiter gehend vertieft werden
Das Zusammenspiel von Quantentechnologien, Künstlicher Intelligenz (KI) und Blockchain erzeugt zunehmend systemische Synergieeffekte, die u. a. Innovationsprozesse beschleunigen, operative Effizienz steigern und neue Wertschöpfungsmechanismen ermöglichen. Dieses Whitepaper analysiert exemplarisch die Auswirkungen auf Industrie 4.02 und Robotik, Nachhaltigkeit, Energie und Klimasysteme, Finanzsysteme sowie den Weltraum. Weitere Anwendungsfelder, darunter Gesundheitswesen, Logistik und Mobilität, weisen ebenfalls ein hohes Transformationspotenzial auf, können hier jedoch nicht weiter gehend vertieft werden
Quantentechnologien (QT) sind ein aufstrebendes Forschungsfeld, das sich mit der Nutzung quantenmechanischer Phänomene, insbesondere der Verschränkung, für neuartige Anwendungen in den Bereichen Computing, Kommunikation und Sensorik beschäftigt. Obwohl die Quantenmechanik bereits Schlüsseltechnologien wie Laser und Transistoren ermöglichte, basierten diese früheren Innovationen nicht auf der gezielten Manipulation einzelner Quantensysteme oder verschränkter Zustände. In den 1990er Jahren begannen Physiker, Informatiker und Informationstheoretiker sogenannte Quantentechnologien der zweiten Generation vorzuschlagen, die aufgrund ihrer möglichen Auswirkungen auf kryptografische Sicherheit und Verteidigung großes Interesse weckten. Im Jahr 2016 unterzeichneten Tausende europäischer Quantenforscher das sogenannte Quantenmanifest, um eine milliardenschwere europäische Großinitiative zu fordern. Im gleichen Jahr stellte IBM seinen ersten Fünf-Qubit-Quantenprozessor der breiten Öffentlichkeit in der Cloud zur Verfügung, und China startete den weltweit ersten Quantenkommunikationssatelliten. Seither hat sich die Dynamik weiter verstärkt, sodass die Vereinten Nationen das Jahr 2025 offiziell zum Internationalen Jahr der Quantenwissenschaft und -technologie erklärten. Diese rasanten Entwicklungen machen eine sorgfältige Technikfolgenabschätzung (TA) erforderlich, deren Ziel es ist, sowohl beabsichtigte als auch unbeabsichtigte Folgen des technologischen Fortschritts zu antizipieren. Neue und aufkommende Technologien wie QT stellen die TA dabei vor besondere Herausforderungen, da sie durch große Unsicherheiten, spekulative Erwartungen und potenziell tiefgreifende gesellschaftliche Auswirkungen geprägt sind. Die frühzeitige Beschäftigung mit diesen Herausforderungen ist entscheidend, um kritische Pfadabhängigkeiten zu erkennen und künftige Problemhorizonte effektiv zu adressieren. Die vorliegende Arbeit widmet sich zwei zentralen Forschungsfragen: (i) Wie können verantwortungsvolle Quantentechnologien von der QT-Community imaginiert, entworfen und umgesetzt werden? (ii) Welche Themen und kritischen Pfadabhängigkeiten sind für die verantwortungsvolle Entwicklung dieser Technologien relevant? Kapitel 1 bietet eine umfassende Bestandsaufnahme der QT und behandelt kommerzielle, akademische, technische, bildungspolitische und geopolitische Aspekte. Kapitel 2 analysiert, wie Verantwortung innerhalb der QT-Community verstanden, diskutiert und praktiziert wird. Kapitel 3 fasst die Erkenntnisse aus den vorangegangenen Kapiteln zusammen und identifiziert zentrale Bedingungen und Pfadabhängigkeiten für verantwortungsvolle QT-Zukünfte. Mit dieser explorativen Studie trägt die Arbeit explizit zur TA bei, indem sie QT exemplarisch nutzt, um den Umgang mit neuen Technologien besser zu verstehen. Sie identifiziert wesentliche Faktoren, die die Entwicklungspfade von QT prägen, und ermöglicht so die frühzeitige Antizipation technologischer, ethischer und gesellschaftlicher Herausforderungen. Ziel der Arbeit ist es, die TA mit neuen Erkenntnissen für den besseren Umgang mit Unsicherheiten und Komplexitäten in aufkommenden Technologiefeldern zu unterstützen.
Quantencomputer Quantencomputerwurden ursprünglich bereits im letzten Jahrhundert als neuartige Computer vorgeschlagen, um insbesondere Simulationen von quantenmechanischen Prozessen zu verbessern. In den letzten Jahren konnten Quantencomputer auch praktisch realisiert werden und stehen nun als erste kleine Geräte kommerziell zur Verfügung. Dadurch kann das Potential für unterschiedliche Anwendungsbereiche eingehender praktisch erforscht werden. Ein vielversprechender Bereich ist die quantengestützte Künstliche Intelligenz (KI), wo der Einsatz von Quantencomputing z. B. zu einem dateneffizienteren Training führen kann. Dieser Beitrag diskutiert den aktuellen Stand von Quantencomputing und zeigt mögliche Perspektiven einer quantengestützten KI auf, einschließlich möglicher Anwendungsfelder und aktueller Herausforderungen.
Zusammenfassung Die rasanten Fortschritte in der Wissenschaft, sowie der technologischen Entwicklung der letzten Jahre ermöglichen es, nun maßgeschneiderte Quanteneffekte auszunutzen und die Kontrolle und Manipulation von einzelnen Quantenteilchen zu ermöglichen. Diese häufig auch als 2. Quantenrevolution bezeichnete Entwicklung erschließt neue, mit klassischen Methoden nicht zugängliche Anwendungsbereiche von der Sensorik und Messtechnik bis zur Quanteninfomationsverarbeitung und Quantenkommunikation. Diese neuartigen Komponenten und Systeme bergen ein großes Potential für eine breite kommerzielle Nutzung und sind daher für die europäische Wirtschaft ein hoch relevanter Zukunftsmarkt. In dieser Einführung soll neben einem kurzen Überblick über das Themenfeld der Quantentechnologien, ein Fokus auf die Grundprinzipien der Quantensensorik und ihren möglichen Anwendungen gelegt werden. Für die Überführung der Quantentechnologien aus dem forschungslabor in robuste und anwenderfreundliche Komponenten und Systeme, sind, neben dem Technologietransfer eng miteinander verzahnte Aktivitäten im Bereich der Standardisierung, Charakterisierung, Zertifizierung und Messtechnik, bis hin zu Themen der Weiterbildung und dem Wissenstransfer in Industrie und Gesellschaft notwendig. Hierzu können in einem ganzheitlichen Ansatz insbesondere die nationalen Metrologieinstitute mit ihrer Bündelung an QT-Infrastruktur und -Expertise in einem gemeinschaftlichen, europäischen Kontext beitragen.
Eine der größten Herausforderungen der angewandten Quanteninformatik ist die Suche nach einem praxisrelevanten Quantenvorteil auf aktueller, rauschbehafteter Quantenhardware. Obwohl es sowohl empirische als auch theoretische Nachweise für bis zu exponentielle Quantenbeschleunigungen gibt, sind die betrachteten Probleme überwiegend akademischer Natur und hängen von spezifischen mathematischen Eigenschaften ab. Dies erschwert die praktische Anwendbarkeit erheblich, da bei realen Anwendungsfällen im Allgemeinen nicht davon ausgegangen werden kann, dass diese komplexe mathematische Voraussetzungen erfüllen. Vor diesem Hintergrund untersucht diese Arbeit, wie etablierte Quantenvorteile auf praxisrelevante Probleme in den Bereichen KI und Optimierung ausgeweitet werden können. Für die zwei praxisrelevanten Optimierungsprobleme des Turbinenauswuchtens und der Community-Erkennung zeigen wir, wie sich Quantenoptimierungsalgorithmen mithilfe neuartiger, speichereffizienter Lösungskodierungen effizient einsetzen lassen. Weiter zeigen wir für die KI-Anwendungen der Betrugserkennung, der Designraumexploration und der Stimmungserkennung, dass Quantenalgorithmen in einigen Fällen bessere Ergebnisse als ihre klassischen Gegenstücke erzielen können. Darüber hinaus stellen wir verschiedene Verbesserungen der praktischen Anwendbarkeit häufig eingesetzter Quantenoptimierungs- und Quanten-Machine-Learning-Algorithmen mit Fokus auf rauschbehaftete Hardware vor. Zunächst präsentieren wir eine polynomielle Problemformulierung für kontinuierliche Optimierungsprobleme hohen Grades, die die vollen Möglichkeiten des weit verbreiteten Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA) ausschöpft. Anschließend stellen wir ein problemagnostisches Designkonzept für parametrisierte Quantenschaltkreise vor, das besonders parametereffizient ist und dadurch Beschleunigungen beim Parametertraining ermöglicht. Für nicht-lokale Problemstellungen führen wir eine effiziente Trainingsmethode für entsprechend parametrisierte Quantenalgorithmen ein, die Informationen über die Verlustfunktion ausnutzt. Abschließend präsentieren wir eine NISQ-optimierte Implementierung der weitreichend eingesetzten Umwandlung von digitaler in analoge Quantenkodierung, sowie einen sehr effizienten GPU-basierten QAOA Simulator, der großskalige Benchmarks in Bezug auf einen Quantenvorteil ermöglicht. Zusammenfassend treibt die Vielzahl und Tiefe der in dieser Arbeit vorgestellten Ansätze zahlreiche Wege hin zu einem praxisrelevanten Quantenvorteil für Optimierung und Künstliche Intelligenz signifikant voran.
Zusammenfassung Für den nächsten Konjunkturzyklus benötigen wir viel mehr Rechenkapazität und Computer mit Transistortechnologie kommen an ihre Grenzen. Es sind also neue Innovationen gefragt. Der Quantencomputer, der das binäre System aushebelt und nicht auf Mikroprozessoren aus Silizium basiert, könnte eine Lösung sein. Diese Technologie wird sich exponentiell weiter entwickeln und nachhaltige Auswirkungen auf Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft haben. Speziell die Quantenkommunikation bietet eine vollständig neuartige Möglichkeit verteilter Rechenleistung, indem sie erlaubt Quantencomputer über Quantenkanäle zu vernetzen und so intrinsisch sichere Kommunikation zu gewährleisten. Dieser Artikel macht begreiflich, wie Quantencomputer neue Phänomene ausnutzen, die in der klassischen Physik nicht auftreten. Entlang vier identifizierter Haupteinsatzgebiete (Optimierung, Simulation, Maschinelles Lernen und Kryptographie) beschreiben wir Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Branchen. Wir erklären wie technische Herausforderungen das Potenzial noch zurückhalten und wie der Quantencomputer als Ergänzung zu traditionellen Computersystemen einen großen Beitrag leisten kann. Entsprechend müssen Unternehmen nicht unbedingt in Quantencomputer investieren, sondern in deren Nutzung. Quantum als Service kann ein erster Schritt für visionäre Unternehmer sein, um sich damit vertraut zu machen und frühzeitig Wettbewerbsvorteile zu erlangen.
Die Quanteninformationstechnologie ist ein Schwerpunkt intensiver weltweiter Forschungsarbeit, da sie Lösungen für aktuelle globale Probleme verspricht. So bietet die Quantenkommunikation (QKD, engl. quantum key distribution) absolut abhörsichere Kommunikationsprotokolle und könnte, mit der Realisierung von Quantenrepeatern, auch über große Distanzen zum Einsatz kommen. Quantencomputer (engl. quantum computing) könnten von Nutzen sein, um sehr schwierige und komplexe mathematische Probleme schneller zu lösen. Ein grundlegender kritischer Baustein der gesamten halbleiterbasierten Quanteninformationsverarbeitung (QIP, engl. quantum information processing) ist die Bereitstellung von Proben, die einerseits die geforderten physikalischen Eigenschaften aufweisen und andererseits den Anforderungen der komplexen Messtechnik genügen, um die Quanteneigenschaften nachzuweisen und technologisch nutzbar machen zu können. In halbleiterbasierten Ansätzen haben sich Quantenpunkte als sehr vielversprechende Kandidaten für diese Experimente etabliert. Halbleiterquantenpunkte weisen große Ähnlichkeiten zu einzelnen Atomen auf, die sich durch diskrete Energieniveaus und diskrete Spektrallinien im Emissionsspektrum manifestieren, und zeichnen sich überdies als exzellente Emitter für einzelne und ununterscheidbare Photonen aus. Außerdem können mit Quantenpunkten zwei kritische Bausteine in der Quanteninformationstechnologie abgedeckt werden. So können stationäre Quantenbits (Qubits) in Form von Elektronenspinzuständen gespeichert werden und mittels Spin-Photon-Verschränkung weit entfernte stationäre Qubits über fliegende photonische Qubits verschränkt werden. Die Herstellung und Charakterisierung von quantenpunktbasierten Halbleiterproben, die sich durch definierte Eigenschaften für Experimente in der QIP auszeichnen, steht im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit. Die Basis für das Probenwachstum bildet dabei das Materialsystem von selbstorganisierten In(Ga)As-Quantenpunkten auf GaAs-Substraten. Die Herstellung der Quantenpunktproben mittels Molekularstrahlepitaxie ermöglicht höchste kristalline Qualitäten und bietet die Möglichkeit, die Quantenemitter in photonische Resonatoren zu integrieren. Dadurch kann die Lichtauskoppeleffizienz stark erhöht und die Emission durch Effekte der Licht-Materie-Wechselwirkung verstärkt werden. Vor diesem Hintergrund wurden in der vorliegenden Arbeit verschiedene In(Ga)As-Quantenpunktproben mit definierten Anforderungen mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt und deren morphologische und optische Eigenschaften untersucht. Für die Charakterisierung der Morphologie kamen Rasterelektronen- und Rasterkraftmikroskopie zum Einsatz. Die optischen Eigenschaften wurden mit Hilfe der Reflektions-, Photolumineszenz- und Resonanzfluoreszenz-Spektroskopie sowie Autokorrelationsmessungen zweiter Ordnung ermittelt. Der Experimentalteil der Arbeit ist in drei Kapitel unterteilt, deren Kerninhalte im Folgenden kurz wiedergegeben werden. Quasi-Planare Einzelphotonenquelle mit hoher Extraktionseffizienz: Planare quantenpunktbasierte Einzelphotonenquellen mit hoher Extraktionseffizienz sind für Experimente zur Spinmanipulation von herausragender Bedeutung. Elektronen- und Lochspins haben sich als gute Kandidaten erwiesen, um gezielt einzelne Elektronenspins zu initialisieren, manipulieren und zu messen. Ein einzelner Quantenpunkt muss einfach geladen sein, damit er im Voigt-Magnetfeld ein λ-System bilden kann, welches die grundlegende Konfiguration für Experimente dieser Art darstellt. Wichtig sind hier einerseits eine stabile Spinkonfiguration mit langer Kohärenzzeit und andererseits hohe Lichtauskoppeleffizienzen. Quantenpunkte in planaren Mikrokavitäten weisen größere Werte für die Spindephasierungszeit auf als Mikro- und Nanotürmchenresonatoren, dagegen ist bei planaren Proben die Lichtauskoppeleffizienz geringer. In diesem Kapitel wird eine quasi-planare quantenpunktbasierte Quelle für einzelne (g(2)(0)=0,023) und ununterscheidbare Photonen (g(2)indist (0)=0,17) mit hoher Reinheit vorgestellt. Die Quantenpunktemission weist eine sehr hohe Intensität und optische Qualität mit Halbwertsbreiten nahe der natürlichen Linienbreite auf. Die Auskoppeleffizienz wurde zu 42% für reine Einzelphotonenemission bestimmt und übersteigt damit die, für eine planare Resonatorstruktur erwartete, Extraktionseffizienz (33%) deutlich. Als Grund hierfür konnte die Kopplung der Photonenemission an Gallium-induzierte, Gauß-artige Defektstrukturen ausgemacht werden. Mithilfe morphologischer Untersuchungen und Simulationen wurde gezeigt, dass diese Defektkavitäten einerseits als Nukleationszentren für das Quantenpunktwachstum dienen und andererseits die Extraktion des emittierten Lichts der darunterliegenden Quantenpunkte durch Lichtbündelung verbessern. In weiterführenden Arbeiten konnte an dieser spezifischen Probe der fundamentale Effekt der Verschränkung von Elektronenspin und Photon nachgewiesen werden, der einen kritischen Baustein für halbleiterbasierte Quantenrepeater darstellt. Im Rahmen dieses Experiments war es möglich, die komplette Tomographie eines verschränkten Spin-Photon-Paares an einer halbleiterbasierten Spin-Photon Schnittstelle zu messen. Überdies konnte Zweiphotoneninterferenz und Ununterscheidbarkeit von Photonen aus zwei räumlich getrennten Quantenpunkten auf diesem Wafer gemessen werden, was ebenfalls einen kritischen Baustein für Quantenrepeater darstellt. Gekoppeltes Quantenfilm-Quantenpunkt System: Weitere Herausforderungen für optisch kontrollierte halbleiterbasierte Spin-Qubit-Systeme sind das schnelle und zerstörungsfreie Auslesen der Spin-Information sowie die Implementierung eines skalierbaren Ein-Qubit- und Zwei-Qubit-Gatters. Ein kürzlich veröffentlichtes theoretisches Konzept könnte hierzu einen eleganten Weg eröffnen: Hierbei wird die spinabhängige Austauschwechselwirkung zwischen einem Elektron-Spin in einem Quantenpunkt und einem Exziton-Polariton-Gas, welches in einem nahegelegenen Quantenfilm eingebettet ist, ausgenützt. So könnte die Spin-Information zerstörungsfrei ausgelesen werden und eine skalierbare Wechselwirkung zwischen zwei Qubits über größere Distanzen ermöglicht werden, da sich die Wellenfunktion von Exziton-Polaritonen, abhängig von der Güte des Mikroresonators, über mehrere μm ausdehnen kann. Dies und weitere mögliche Anwendungen machen das gekoppelte Quantenfilm-Quantenpunkt System sehr interessant, weshalb eine grundlegende experimentelle Untersuchung dieses Systems wünschenswert ist. In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe um Yoshihisa Yamamoto an der Universität Stanford, wurde hierzu ein konkretes Probendesign entwickelt und im Rahmen dieser Arbeit technologisch verwirklicht. Durch systematische epitaktische Optimierung ist es gelungen, ein gekoppeltes Quantenfilm-Quantenpunkt System erfolgreich in einen Mikroresonator zu implementierten. Das Exziton-Polariton-Gas konnte mittels eines Quantenfilms in starker Kopplung in einer Mikrokavität mit einer Rabi-Aufspaltung von VR=2,5 meV verwirklicht werden. Zudem konnten einfach geladene Quantenpunkte mit hoher optischer Qualität und klarem Einzelphotonencharakter (g(2)(0)=0,24) in unmittelbarer Nähe zum Quantenfilm gemessen werden. Positionierte Quantenpunkte: Für die Herstellung quantenpunktbasierter Einzelphotonenquellen mit hoher optischer Qualität ist eine skalierbare technologische Produktionsplattform wünschenswert. Dazu müssen einzelne Quantenpunkte positionierbar und somit deterministisch und skalierbar in Bauteile integriert werden können. Basierend auf zweidimensionalen, regelmäßig angeordneten und dadurch adressierbaren Quantenpunkten gibt es zudem ein Konzept, um ein skalierbares, optisch kontrolliertes Zwei-Qubit-Gatter zu realisieren. Das hier verfolgte Prinzip für die Positionierung von Quantenpunkten beruht auf der Verwendung von vorstrukturierten Substraten mit geätzten Nanolöchern, welche als Nukleationszentren für das Quantenpunktwachstum dienen. Durch eine optimierte Schichtstruktur und eine erhöhte Lichtauskopplung unter Verwendung eines dielektrischen Spiegels konnte erstmals Resonanzfluoreszenz an einem positionierten Quantenpunkt gemessen werden. In einem weiteren Optimierungsansatz konnte außerdem Emission von positionierten InGaAs Quantenpunkten auf GaAs Substrat bei 1,3 μm Telekommunikationswellenlänge erreicht werden.