Wie quantentechnologische Anwendungen Präzision für das Unbekannte ermöglichen.

Nach mehr als 100 Jahren Forschung hält die Quantentechnologie zunehmend Einzug in den Alltag. Beispiele dafür sind der Einsatz in Mobiltelefonen, Computern, medizinischen Bildgebungsverfahren und Navigationssystemen. Doch das ist erst der Anfang. In den kommenden Jahren werden die Investitionen signifikant steigen und zahlreiche weitere konkrete Anwendungen die Welt erobern. Messtechnik von Rohde & Schwarz und Zurich Instruments hilft dabei, während die Verschlüsselungslösungen des Technologiekonzerns für eine sichere Kommunikation auf Quantenbasis sorgen.

Mit kaum einem anderen Thema sind so große Erwartungen verknüpft wie mit der Quantentechnologie. Kein Wunder, angesichts der finanziellen Dimensionen, die dieser Technologie zugeschrieben werden. So geht das Beratungsunternehmen McKinsey & Company davon aus, dass der weltweite Markt bis zum Jahr 2035 ein Volumen von bis zu 97 Milliarden US-Dollar erreichen könnte. Auf Quantencomputing würden dabei laut McKinsey bis zu 72 Milliarden US-Dollar entfallen, der Markt der Quantenkommunikation käme auf bis zu 15 Milliarden US-Dollar.

Dass das prognostizierte Volumen durchaus realistisch ist, belegt die bisherige Entwicklung eindrucksvoll. Viele Quanteneffekte sind längst Teil unseres Alltags. In einem Smartphone etwa stecken mitunter mehrere hundert Milliarden Transistoren. Die meisten finden sich in den Flash-Speicherchips. Deren Funktion, Ströme und Spannungen zu steuern, beruht auf den quantenmechanischen Eigenschaften von Halbleitern. Aber auch das GPS-Signal für das Navi oder die Leuchtdiode für die Taschenlampe im Smartphone basieren auf Erkenntnissen der Quantenforschung.

Um das Erreichte zu würdigen, hat die UNESCO das Jahr 2025 zum „Internationalen Jahr der Quantenwissenschaft und Quantentechnologien“ ausgerufen – genau 100 Jahre, nachdem der deutsche Physiker Werner Heisenberg aus den damaligen Forschungserkenntnissen eine zusammenhängende Theorie formulierte: die Quantenmechanik. Und auch beim Nobelpreis für Physik 2025 stand die Quantentechnologie im Rampenlicht. Ausgezeichnet wurden die Quantenforscher John Clarke, Michel Devoret und John Martinis.

Schnell, schneller, Quantencomputing

Binärcode regiert unsere Welt. Klassische Computer verarbeiten Informationen in Sequenzen von Null oder Eins, wahr oder falsch, aus oder an. Das gilt für alle Anwendungen, von der einfachen Textverarbeitung bis zur virtuellen Wirklichkeit im Metaverse. Allerdings wird die Welt, in der wir leben und arbeiten, zunehmend komplexer. Allein die Menge an Daten, die es zu verarbeiten gilt, nimmt rasant zu. Das digitale weltweite Datenaufkommen hat sich innerhalb von fünf Jahren auf 173,4 Zettabyte im Jahr 2024 mehr als vervierfacht. Für 2029 werden gar 527,5 Zettabyte erwartet, das sind 527,5 Trillionen Gigabyte.

Vor diesem Hintergrund stoßen klassische Rechner an zwei unüberwindbare Grenzen: Zeit und Komplexität. Je größer das Datenvolumen ist, desto mehr Zeit benötigt eine sequenzielle Verarbeitung. Je komplexer das Problem, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Binärcode aus zwei Zuständen ausreicht, um eine Lösung effizient zu berechnen. Quantencomputer haben das Potenzial, beide Herausforderungen durch die Gesetze der modernen Physik zu überwinden.

Hand in Hand statt Entweder-Oder

Analog zu klassischen Bits bilden Quanten-Bits (Qubits) quantenmechanische Speichereinheiten. Neben Nullen und Einsen können sie auch sich überlagernde Mischzustände annehmen. Diese Gleichzeitigkeit ist ein fundamentaler technologischer Paradigmenwechsel. Traditionell sequenzielle Rechenwege können jetzt gleichzeitig in Angriff genommen werden. Ergo: Ein Quantencomputer spart Zeit.

Die neue, quantenmechanische Arbeitsweise ermöglicht aber vor allem auch neue, viel komplexere Fragestellungen zu bearbeiten. Letztlich handelt es sich nicht um eine Entweder-Oder-Entscheidung, entweder klassische Rechenleistung oder Quantencomputing. Vielmehr wird es darum gehen, vorhandene Systeme und Quantensysteme je nach Aufgabe sinnvoll zu integrieren.

Physik versus Logik

In der Welt der Quanten kann ein Teilchen an zwei Orten sein. Erst wenn man es beobachtet, zum Beispiel durch eine Messung, wird sein Ort auf eine der beiden Möglichkeiten eingeschränkt. Die ungewöhnlichen Eigenschaften bedingen gleichzeitig ihre extreme Störanfälligkeit. Statt die teilweise stark fehlerbehafteten physikalischen Qubits zu verwenden, verknüpft man deshalb mehrere von ihnen zu einem logischen Qubit. Die Herausforderung: Um praxisnahe Probleme wie das der Proteinfaltung zu lösen, werden Quantensysteme mit bis zu einer Million logischen Qubits vorausgesetzt. Ein logisches Qubit wiederum besteht aus bis zu 100 physikalischen Qubits. Die aktuell höchste Prozessorleistung liegt jedoch erst bei 1.225 physikalischen Qubits.

Zurich Instruments ist seit 2021 Mitglied der Rohde & Schwarz-Konzernfamilie. Insbesondere der Messtechnikmarkt für Quantencomputing birgt für beide Unternehmen ein erhebliches Potenzial. Betrieb und Wartung von Quantencomputern erfordern eine Vielzahl an spezifischen Messlösungen. Denn um Quantenzustände gezielt zu erzeugen und auszulesen, müssen Hochfrequenzsignale in extrem engen Toleranzen erzeugt und erfasst werden. Quantencomputer-Kontrollsysteme sind Teil des Portfolios.

Sicher, sicherer, Quantenkommunikation

Quantencomputer versprechen, die Grenzen der Recheneffizienz zu verschieben. Das birgt enorme Herausforderungen. Eine davon ist der Bereich der sicheren Kommunikation. Angesichts des „Q-Day“, einem Zeitpunkt, an dem Quantencomputer klassische Verschlüsselungen knacken könnten, wird diese zur Priorität.

Deshalb rücken alternative Verschlüsselungsmethoden immer mehr in den Fokus. Im Wesentlichen sind dabei zwei Ansätze von Bedeutung. Einer ist die sogenannte Post-Quanten-Kryptografie. Dabei kommen klassische Verschlüsselungsmethoden zum Einsatz – mit dem Unterschied, dass sie selbst Angriffe von Quantencomputern unbeschadet überstehen sollen. Die verwendeten Algorithmen beruhen auf theoretischen Annahmen, für die bislang weder auf klassischen noch auf Quantenrechnern effektive Angriffe bekannt sind.

Ein anderer Ansatz betrifft die sogenannte Quantum-Key-Distribution, kurz QKD. Das deutsche Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) und das US-amerikanische Nationale Institut für Standards und Technologie (NIST) zählen zu den Innovationstreibern. Denn in einer zunehmend digitalisierten Welt sind privatwirtschaftliche und in besonderer Weise auch hoheitliche Kunden auf vertrauenswürdige IT-Sicherheitslösungen angewiesen. Sichere Kommunikationsnetzwerke haben in modernen Informationsgesellschaften den Stellenwert einer kritischen Infrastruktur.

Die neuartigen Lösungen verlagern den Schwerpunkt der Kryptologie. Klassische und ebenso die neueren Post-Quanten-Verfahren beruhen auf mathematischen Annahmen, also auf der Überlegung, dass sich bestimmte Aufgabenstellungen nicht effizient genug berechnen lassen. Quantum-Key-Distribution setzt auf physikalische Prinzipien. Rohde & Schwarz Cybersecurity bringt sein umfassendes Know-how rund um Sicherheitslösungen und seine Erfahrung im Bau und der Implementierung sicherer Geräte und Systeme in zahlreiche Forschungsprojekte aktiv ein.

Innovation durch Kollaboration

Neben der rein technischen Entwicklung spielt der Austausch mit Kunden und die Beteiligung in Forschungs- und Industriegremien eine wichtige Rolle. Rohde & Schwarz hat sich deshalb früh in den entstehenden Netzwerken engagiert. Eine Auswahl: