Die Staaten haben begonnen, Milliarden von Euro in die Entwicklung und Kommerzialisierung von Quantentechnologien zu investieren, um eine technologische Führungsposition in einem Bereich zu erreichen, der das Potenzial hat, Wissenschaft und Gesellschaft grundlegend zu verändern.
Dr. Thomas Monz, 31. Mai 2021
Europa ist stolz auf seine Errungenschaften – seien sie wirtschaftlicher, sozialer, staatlicher oder technologischer Natur. Wenn wir uns jedoch die Werkzeuge ansehen, die wir in unserem täglichen Leben verwenden – insbesondere unsere Technologien, die von Laptops und Smartphones bis hin zu sozialen Medien und Online-Shopping reichen – wird kaum etwas, das unsere Wirtschaft, unser soziales Verhalten oder unsere Technologie beherrscht, in Europa hergestellt oder kontrolliert. Kann Europa hier aufholen? Es kann, wenn es in Technologien der nächsten Generation investiert und damit die Souveränität in der privaten Kommunikation sicherstellt, sowie in neue Rechenkapazitäten, die unser Verständnis komplexer Prozesse verändern werden – vom Finanzwesen über die Chemie bis hin zur Grundlagenforschung und sogar zum Klimawandel.
Schauen Sie sich das Smartphone an, das Sie vielleicht gerade in den Händen halten – hätten Sie sich für ein europäisches Produkt entscheiden können, anstatt für das US-amerikanische oder asiatische, das Sie sehr wahrscheinlich besitzen? Während Sie diesen Text lesen, hören Sie vielleicht einen Ping von Ihrer Social-Media-Plattform oder Ihrem privaten E-Mail-Provider – die sich mit hoher Wahrscheinlichkeit zusammen mit den entsprechenden Daten, die Sie bereitgestellt haben, in den USA befinden. Und aus Gründen der Bequemlichkeit müssen Sie wahrscheinlich zugeben, dass Sie bei einigen Ihrer jüngsten Online-Einkäufen Plattformen genutzt haben, die nicht von einem europäischen Unternehmen betrieben werden. Die europäischen Regierungen sind sich dieses Konflikts bewusst, sowohl rechtlich als auch wirtschaftlich. Wir haben viele politische Debatten über Hardware-Anbieter für die 5G-Netze der nächsten Generation erlebt, die sich hauptsächlich auf Cisco aus den USA oder Huawei aus China konzentrierten und die potenziellen europäischen Lösungen von Ericsson/Nokia etwas außer Acht ließen. Derzeit werden Vorschriften für den Einsatz von künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen diskutiert. Es ist jedoch unklar, inwieweit solche europäischen Regelungen tatsächlich helfen können, wenn die meisten unserer Daten, die zum Trainieren der neuronalen Netze hinter den Algorithmen verwendet werden, nicht einmal in Europa gespeichert sind. Das aktuelle Bild ist düster, aber das bedeutet nicht, dass Europa das Rennen um die technologische Unabhängigkeit bereits verloren hat – denn die Technologie entwickelt sich ständig weiter. Woher kommt also die derzeit dominierende Technologie, und was könnte sie ersetzen?
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts bemerkten Forscher eine Besonderheit im Verhalten von Halbleitern: Sie ließen Strom in die eine Richtung fließen, aber nicht in die andere. Dieses Verhalten führte zu dem, was wir heute als Diode bezeichnen, die später als Bauteil für Laser diente und die Forschung und Technologie, die auf diese Entdeckung folgte, grundlegend veränderte. Der heute allgegenwärtige Transistor – der grundlegendste Baustein von Computern und Telekommunikation – ist ohne Halbleiter nicht vorstellbar, da auch er nach dem Prinzip einer Diode funktioniert. Folglich basierte der Großteil der IT- und Elektronikindustrie und damit auch des Umsatzes im 20. Jahrhundert auf der Halbleiterindustrie. Diese grundlegenden technologischen Veränderungen, die sich innerhalb von nur wenigen Jahrzehnten zu Beginn des 20. Jahrhunderts vollzogen, werden heute als erste Quantenrevolution bezeichnet, da die den Halbleitern zugrunde liegende Physik durch die Quantenmechanik beschrieben werden kann. Um die oben genannten Technologien vorhersagen, bauen und betreiben zu können, muss man die Quantenphysik der Mikrowelt, in der Halbleiter arbeiten, verstehen.
Unter Ausnutzung der Errungenschaften der ersten Quantenrevolution haben die Wissenschaftler gelernt, noch einen Schritt weiterzugehen: Wir haben gelernt, nicht nur ihr Verhalten zu verstehen, sondern auch einzelne Atome und einzelne Elektronen (die Bausteine aller Materie) sowie einzelne Photonen (die Teilchen des Lichts) zu kontrollieren. Dies nennen wir die zweite Quantenrevolution, die im 21. Jahrhundert stattfindet. Diese Entwicklungen haben zu vier Hauptbereichen der Quantenforschung und -technologie geführt, die im Mittelpunkt zahlreicher Forschungsaktivitäten stehen, die derzeit weltweit durchgeführt werden:
Quantenkommunikation: Ihr Ziel ist es, sichere Kommunikationskanäle zwischen weit entfernten Knoten eines Netzes zu ermöglichen. Solche sicheren Quantenkommunikationskanäle können nicht abgehört werden, und zwar nicht wegen technischer Details, sondern weil die Naturgesetze und die Quantenmechanik selbst dies verbieten.
Quantenuhren und -sensoren: Wir haben gelernt, Sensoren zu bauen, die die Quantenmechanik und die allgemeine Relativitätstheorie kombinieren, um durch einfache, nicht-invasive Messungen an der Oberfläche festzustellen, ob es unter der Erde Eisenerz oder Wasser gibt. Darüber hinaus ist eine globale Positionsbestimmung mit einer Genauigkeit von Zentimetern statt Metern in Reichweite.
Quantensimulationen: Wir kennen Supraleiter – Materialien ohne elektrischen Widerstand – aber sie funktionieren nur bei extrem niedrigen Temperaturen. Quantensimulatoren versprechen neue Einblicke in die Materialien und möglicherweise die Entwicklung von Supraleitern, die bei Raumtemperatur arbeiten können. Mit solchen Supraleitern könnten mehr als 5 % des weltweiten Stroms eingespart werden, der derzeit zwischen Kraftwerken und Endverbrauchern verloren geht.
Quantencomputer: Diese Maschinen könnten die Entwicklung neuartiger Medikamente oder die Modellierung chemischer Prozesse wie die natürliche Stickstoffbindung (eine Form der Befruchtung) oder die Photosynthese ermöglichen. Doch obwohl wir die zugrunde liegenden Ideen verstehen, fehlt uns die Möglichkeit, diese Prozesse auf intelligente Weise zu reproduzieren. Die chemische Industrie und die Landwirtschaft verwenden daher immer noch die jahrhundertealte Haber-Bosch-Methode zur künstlichen Herstellung von Düngemitteln, was weitere 5 % des weltweiten Energieverbrauchs erfordert. Man stelle sich die sozialen und ökologischen Auswirkungen vor, wenn Düngemittel (und damit die Nahrungsmittelproduktion) oder die Bekämpfung von Entwaldung und Wüstenbildung um derartige Größenordnungen billiger werden könnten.
Wo befinden sich also die wichtigsten Zentren der Quantenforschung? Die überwiegende Mehrheit der Gründerväter der Quantenmechanik wie Planck, Schrödinger, Einstein, Bohr, Dirac, Born, Heisenberg, Sommerfeld, Pauli und Fermi waren Europäer. Ihre Entdeckungen und die damit verbundene Forschung sind in den europäischen Universitäten tief verwurzelt und spiegeln sich oft in den Namen wissenschaftlicher Institute und Labors wider. Diese Führungsrolle wird auch durch die strategischen Entscheidungen von Unternehmen wie Intel und Microsoft anerkannt, eng mit Forschungseinrichtungen in Delft oder Kopenhagen zusammenzuarbeiten. Ähnliche strategische Aktivitäten von europäischen Unternehmen wie Bosch, SAP, Total, Airbus oder Atos könnten sich abzeichnen.
In Europa wird hervorragende Quantenforschung betrieben, aber wie können wir sie in sozioökonomische Vorteile umwandeln? Die wirtschaftlichen Auswirkungen des Potenzials der zweiten Quantenrevolution dürfen nicht unterschätzt werden. Die oben genannten Beispiele sind nur einige von vielen, bei denen bessere Fähigkeiten, die durch Quantentechnologien ermöglicht werden, einen globalen Beitrag leisten könnten. Es ist daher von geopolitischem Interesse, nicht nur mit den weltweiten Entwicklungen bei der Nutzung der Quantenforschung Schritt zu halten, sondern diese Entwicklungen auch aktiv zu unterstützen. Dies kann durch die Förderung und Umsetzung von Anwendungen geschehen, die auf der Quantenwissenschaft aufbauen.
Die Europäische Union hat das Quantum Technologies Flagship angekündigt, mit dem Ziel, innerhalb von zehn Jahren eine Milliarde Euro in Quantentechnologien zu investieren, wovon die Hälfte ab 2018 von den EU-Mitgliedstaaten kommen soll. Bislang hat dieses Vorzeigeprojekt selbst jedoch etwa 120 Mio. EUR für seine erste Phase investiert, und der Beginn der zweiten Phase scheint sich bereits zu verzögern. Zum Vergleich: Während das europäische Flagship im Laufe von 10 Jahren 1 Milliarde Euro ausgeben will, haben die USA angekündigt, innerhalb von 5 Jahren rund 1,2 Milliarden Euro zu investieren. China hat Investitionen in Höhe von rund 8,2 Mrd. EUR zugesagt und hat die Quantenkommunikation bereits mit Hilfe von Satelliten realisiert. Kürzlich hat Deutschland – möglicherweise im Zusammenhang mit den erforderlichen nationalen Aktivitäten im Rahmen des europäischen Flagship – Investitionen in Höhe von 2 Mrd. EUR in lokale Quantentechnologien angekündigt, Frankreich hat eine ähnliche Ankündigung gemacht, die auf 1,8 Mrd. EUR abzielt, und die Niederlande haben erklärt, dass sie 615 Mio. EUR in Quantentechnologien investieren werden. Diese Investitionen sind jedoch hauptsächlich auf Hunderten von Forschungsprojekten verteilt. In den USA ist es Start-ups im Bereich der Quantentechnologie wiederholt gelungen, Risikokapitalgeber davon zu überzeugen, 48 bis 80 Mio. EUR in ein einziges Unternehmen zu investieren, wobei die Tickets bis zu 500 Mio. EUR betragen. Diese Aktivitäten verdeutlichen, dass nicht nur Regierungen außerhalb Europas häufiger Geld investieren, sondern auch private Einrichtungen außerhalb Europas versuchen, einen Vorsprung zu erlangen, indem sie in Quantentechnologien investieren.
Die Frage ist, ob Europa in der Lage sein wird, seinen Vorsprung in der Quantenforschung in eine kommerzielle Führungsposition bei den Quantentechnologien zu übertragen. Die Aktivitäten in Deutschland und seit kurzem auch in Frankreich zeigen, dass Europa den Willen hat, bei der Erforschung und Anwendung von Quantentechnologien führend und erfolgreich zu sein. Sobald die größeren europäischen Unternehmen ihre Anstrengungen auf dieses Ziel hin bündeln, könnte Europa in der Lage sein, die zweite Quantenrevolution anzuführen – und ihr nicht nur zu folgen.
