Was haben Quantentechnologien mit Berlin zu tun? #2 Wer kann das?

Teil 2 der Blogserie stellt vor, wer in Berlin an diesen Technologien arbeitet und wie man Zugang zu Know-how bekommt.

Zu den in Berlin vertretenen Forschungsgebieten gehören

  • physikalische und theoretische Grundlagen
  • physische Komponenten
  • Software für Quantencomputing
  • Quantenkryptografie und Quantensensorik
  • Supercomputer: kein Quantencomputing, aber etabliert

Vorab bemerkt sei, dass sowohl die Grundlagenforschung als auch die anwendungsorientierte Forschung rund um das Quantencomputing weltweit in den USA dominierend ist. Es sei auch darauf hingewiesen, dass anwendungsorientierte Forschung zum Quantencomputing in den USA deutlich stärker von IKT-Unternehmen wie Google, IBM, Microsoft usw. getrieben und betrieben wird als in Europa. Deutschland und die EU haben deshalb umfangreiche Förderprogramme aufgelegt, um hier aufzuholen.

In diesem Beitrag geht es darum, wie man in Berlin Zugang zu Quanten-Know-how bekommen kann. Deshalb folgt kein Überblick über die gesamte Berliner Forschungslandschaft. Es werden einzelne besonders bekannte Aktivitäten und Akteur:innen genannt. Außerhalb der Grundlagenforschung liegt der Fokus auf transferorientierten Forschungseinrichtungen oder Netzwerken, also auf Einrichtungen, mit denen Interessierte in Verbundprojekten kooperieren können.

Physikalische und theoretische Grundlagen

Im Bereich des Quantencomputing sind die Arbeitsgruppen Eisert und Benson international bekannt. An der Freie Universität Berlin (FU Berlin) existiert mit dem Dahlem Center für komplexe Quantensysteme ein Angebot zur Kooperation mit externen und Gastwissenschaftler:innen, vorrangig aus der Festkörperphysik. Die Universitäten treten bei dem Thema Quantencomputing auch gemeinsam im Rahmen der Berlin University Alliance und dem Einstein-Zentrum mit dem Projekt „Exploring the potential of quantum digital transformation“ (Pressemitteilung vom 06.05.21) auf. Mit weiteren Angeboten ist zu rechnen: In die neu gegründeten Berlin Quantum Alliance (BQA) haben die Universitäten (FU / Prof. Jens Eisert, HU / Prof. Arno Rauschenbeutel & Prof. Oliver Benson, und TU / Prof. Jean-Pierre Seifert) auch die außeruniversitären Institute Fraunhofer FOKUS und Heinrich-Hertz-Institut in den Verbund eingebunden. „Die Ausbildung von Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaftlern im Zukunftsfeld Quantentechnologien und die Förderung von internationalen Kooperationen“ steht im Mittelpunkt der BQA. Aber auch der „Transfer von Kompetenzen aus der Forschung in die regionale Wirtschaft im Rahmen von Verbundprojekten sowie anhand von Ausgründungen aus Hochschulen und Forschungseinrichtungen“ wird explizit als Ziel benannt. Quelle: Pressemtteilung der Senatskanzlei vom 16.09..

Einem Projektinfoblatt von Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) und VDI Technologiezentrum (VDI TZ) ist zu entnehmen, dass im kommenden Jahr auch Materialien und eine „Quantenbox“ für die MINT-Bildung von Schüler:innen aus dem Projekt QUANTEN1x1 eines Berliner MINT-Bildungsanbieters verfügbar werden. Ähnliches kündigt die HTW Berlin an.

Physische Komponenten

Wie angesichts der Berliner Wirtschafts- und Wissenschaftsstruktur zu erwarten, dominieren in diesem Gebiet die optischen Technologien. Neben den drei Universitäten sind hier die Leibniz-Institute Ferdinand-Braun-Institut (FBI), Leibniz-Institut für Kristallforschung (IKZ),Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) und Max-Born-Institut (MBI), die Fraunhofer Institute HHI und IZM (Fraunhofer Institur für Zuverlässigkeit und Mikrointegration) und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumforschung (DLR) mit Arbeiten an Komponenten für Quantencomputer und Quantensensorik aktiv. In 2020 fand ein Innovationsforum Photonik für die Quantentechnologien InnoQT statt, aus dem ein Report „Quantentechnologien in Berlin | Brandenburg“ entstand, in dem ausgewählte Projekte der genannten Institute und Produkte und Forschungsvorhaben aus sieben Unternehmen der Region vorgestellt werden. Der genannte Report stellt die Vorhaben und Kompetenzen einschließlich der Ansprechpartner:innen ausführlich vor, weshalb hier auf die Wiederholung verzichtet werden kann. Der Report erklärt genau und verständlich, welche Rolle Photonen in den Quantentechnologien spielen können, nämlich einerseits als Träger von Quanteninformation und andererseits als Werkzeug, um solche auszulesen oder zu manipulieren. Es werden auch ausgewählte „Bauteile“ aus der Photonik erklärt, die man benötigt, um diese Eigenschaften zu nutzen, und was die genannten Berliner Einrichtungen, die seit vielen Jahren auf Weltniveau Photonikforschung betreiben, zu den Quantentechnologien beitragen können. Sehr lesenswert!

Software für Quantencomputing

Herkömmliche Software lässt sich nicht einfach auf Quantensysteme übertragen. Einfach neu zu kompilieren reicht nicht aus, denn Aufgaben, die ein Quantencomputer abarbeiten soll, müssen anders strukturiert werden. Abgesehen davon gibt es bisher auch keine Auswahl an hochsprachlichen Compilern für Quantencomputer. Zur Entwicklung von solcher Software existieren inwischen  Zugänge z.B. zu einem 64 QBit-Quantencomputer und zu „Supercomputern“ die wesentlich größere Quantencomputer simulieren. Die gute Nachricht für Berliner:innen: Der Transferpartner, über den man im Rahmen von Forschungskooperationen an diese Zugänge kommt und von dem man das Know-how erlernen kann, wie man solche Systeme nutzt bzw. Software dafür entwickelt, ist nicht in der Cloud, sondern vor Ort und heißt Fraunhofer FOKUS.

Wer es kann (ich nicht), kann Quanten-Schaltkreise wohl auch mit dem (nichtberliner) IBM-Composer selbst erstellen.

An der Entwicklung einer Plattform für quantengestützte KI, innerhalb derer einzelne quantengestützte Dienste in der Art eines App-Stores zur Verfügung gestellt werden, arbeitet ein Verbund PlanQK, der Events, Partnering und Mitarbeitsmöglichkeiten anbietet.

Quantenkryptografie und Quantensensorik

Nicht erst seit Snowden wissen wir, dass mindestens ein Dreibuchstabendienst gerne alles speichert, auch wenn er dank https und Konsorten nur die Verkehrsdaten und nicht die Inhalte mitlesen kann, und zwar in der Hoffnung, dass das künftig mit Quantencomputing entschlüsselbar wird. Verschlüsselung ist schon heute wirkungslos, wenn jemand den Schlüssel abfängt. In der Quantenkryptographie geht es deshalb sowohl darum, Verschlüsselungen „quantenfest“ zu machen als auch den Schlüsseltausch abzusichern. In der Quantensensorik geht es darum, Quanteneffekte für genauere Messungen zu nutzen. Das Fraunhofer HHI ist seit über 90 Jahren eine Adresse für Forschungskooperationen in der Nachrichtentechnik und das gilt auch für die Quantenkommunikation. In der Quantensensorik bietet die PTB  (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) (mit Ansprechpartner:innen in Braunschweig) Kooperationsangebote und hat dafür auch in Berlin Labore. Weitere Ansprechpartner:innen finden sich im o.g. Report „Quantentechnologien in Berlin“.

Supercomputing

High Performance Computing auf siliziumbasierten Supercomputern hat heute noch wenig mit Quantencomputing zu tun, ist dafür aber eine etablierte Disziplin. Dass das Zuse Institut Berlin nicht nur Supercomputer betreibt und Großrechner-Clustern in Berliner wissenschaftlichen Einrichtungen über das BRAIN miteinander vernetzt, sondern vor allem eine Vielzahl von Forschungsgruppen unterhält, von Lebenswissenschaften über Optik, Materialforschung, Digital Humanities bis zu mehreren Disziplinen der Mathematik und Informatik, dürfte bekannt sein, ebenso dass diese wissenschaftliche Kooperationen mit Wissenschaft und Wirtschaft betreiben.

Weitere Informationsquellen

Geht man davon aus, dass bei einem derart neuen Hightech-Gebiet öffentliche Fördermittel beantragt, wer Projekte machen will, ist es naheliegend, dass Webseiten wichtiger staatlicher Förderinstanzen und Förderdatenbanken einen guten Einstieg für eine Recherche danach bieten, was relevante Akteur:innen wirklich entwickeln.

Das VDI TZ betreibt im Auftrag des BMBF die Website Quantentechnologien.de. Dort sind unter einzelnen Themen Listen und Landkarten von Akteur:innen in den jeweiligen Themen zu finden, außerdem eine Übersicht über sämtliche Projekte samt genauerer Beschreibungen, die das BMBF im Bereich der Quantentechnologien fördert oder gefördert hat. Der Blick auf diese Website lohnt sich nicht nur wegen der gelisteten Berliner Akteur:innen, sondern auch wegen der Projektbeschreibungen, die mindestens den Horizont erweitern.

Grundsätzlich lassen sich Projekte mit Bundesförderung, also auch die von weiteren Bundesministerien geförderten Projekte, auch über den Förderkatalog des Bundes finden. Bis Projekte ihren Weg in diese Datenbank finden, dauert es aber etwas länger, so dass die vielen aktuell bewilligten Projekte dort noch nicht zu finden sind.

Projekte mit EU-Förderung sind über die CORDIS-Datenbank auffindbar. Die Recherchefeinheiten bedürfen aber einiger Einarbeitung und Nacharbeit. Ich konnte zumindest auf den ersten Blick nicht erkennen, bei welchen der 19 Projekte aus einer Recherche „‘quantum*‘ AND ‚Berlin‘“ seit 2020 es sich wirklich um Projekte der Quantentechnologien handelt.

Der Vollständigkeit halber: Die Zuwendungsdatenbank des Landes Berlin erlaubt die Recherche in Projekttiteln, hält aber keine Projektbeschreibungen vor, die durchsucht werden können. Zu Quantentechnologien fand sich am 20.09.2021 ein bisher gefördertes Projekt, bei dem es dem Titel nach mutmaßlich darum geht, IoT-Daten „quantenfest“ zu verschlüsseln.

FAZIT

Wer nur auf dem Laufenden bleiben möchte oder sich informieren will, findet zum Thema Quantentechnologien reichlich Artikel unterschiedlichsten Niveaus in der Presse und mittels Suchmaschine eigener Wahl.

Wer in Berlin ernsthaft beginnen möchte, Komponenten für Quantentechnologien zu entwickeln oder in die Quanteninformatik einzusteigen, dem kann geholfen werden: Forschungs- und Entwicklungskooperationen mit Universitäten und außeruniversitären Forschungseinrichtungen sind zu einer Vielzahl von Aspekten möglich und die Angebote werden mehr.

Lesen Sie hier Teil 1 der Blogserie zum Thema Quantentechnologie von Christian Hammel

Dass die Technologiestiftung sich mit dem Thema befassen konnte, wurde von der Senatsverwaltung für Wirtschaft, Energie und Betriebe gefördert, wofür wir danken.

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