Die heute genutzten computergestützten Systeme haben eines gemeinsam: Sie arbeiten mit Bits. Ein Bit kann nur zwei Zustände annehmen: entweder eine 1 oder eine 0. Diese beiden Zustände werden in Computer-Prozessoren elektromagnetisch dargestellt, im übertragenen Sinne bedeutet "Strom an" 1 und "Strom aus" 0. Quantencomputer funktionieren grundsätzlich anders als herkömmliche digitale Rechner.

Quantentechnologien übertreffen technische Lösungen von heute deutlich

Im Unterschied zu den Bits von Digitalrechnern sind ihre kleinsten Recheneinheiten, die "Quantum Bits" (Qubits), in der Lage, sich untereinander nach speziellen Gesetzmäßigkeiten der Quantenmechanik zu verbinden und damit einen wesentlich komplexeren Gesamtzustand anzunehmen. Man spricht dann von "Verschränkung". Diese Verschränkung der Qubits eines Quantencomputers zu einem Gesamtzustand ist eine einzigartige Eigenschaft von Quantencomputern. 

Viele Aufgaben, etwa die optimale Wegstrecke eines Postboten, der Pakete in der ganzen Stadt verteilen muss, lassen sich mit herkömmlichen Digitalrechnern nicht befriedigend oder in angemessener Zeit lösen, weil zahlreiche Bedingungen in einem komplexen wechselseitigen Zusammenspiel berechnet werden müssen. Neben der Optimierung großer logistischer Systeme wie Verkehrsnetzen oder auch Stundenpläne, gilt das auch für die schnelle Suche in riesigen Datenmengen oder die Modellierung von Molekülen, wie man sie für neuartige Impfstoffe braucht. Wenn es gelänge, die Verschränkungszustände in Quantencomputern für diese Aufgaben einzustellen, dann könnten solche Aufgaben viel schneller oder überhaupt erst gelöst werden. Neben universell programmierbaren Computern werden auch Quantensimulatoren für praxisrelevante Quantenphänomene möglich. 

Das Potenzial der Quantentechnologien ist also enorm – ob für die Informationsübertragung und -verarbeitung, für höchstpräzise Mess- und Abbildungsverfahren oder für die Simulation komplexer Systeme. Wissenschaftler sprechen davon, moderne Kommunikationsnetzwerke sicher zu machen, Magnetfelder des Gehirns zu vermessen und Krankheiten wie Alzheimer oder Parkinson besser zu verstehen, den Verkehrsfluss zu optimieren und Staus zu vermeiden oder neue Werkstoffe und Katalysatoren allein auf der Grundlage von Simulationen zu entwickeln. Quantentechnologien schaffen dafür die Basis und werden die technischen Lösungen von heute deutlich übertreffen. 

Expertenrat Quantencomputing legt Roadmap vor

Zur Förderung der Quantentechnologien hat die Bundesregierung beschlossen, zusätzliche zwei Milliarden Euro aus dem Konjunkturprogramm vom Juni 2020 in dieses Forschungsfeld zu investieren. Ein im Oktober 2020 berufenes Beratungsgremium – bestehend aus 16 Expertinnen und Experten aus Wissenschaft und Wirtschaft – hat dazu eine "Roadmap Quantencomputing" erarbeitet. In einer virtuellen Sitzung haben nun die Vorsitzenden des Expertenrats Quantencomputing, Dr. E.h. Peter Leibinger und Prof. Dr. Stefan Filipp, ihre Ergebnisse an die Bundesregierung übergeben. 

Das Kanzleramt, das Bundesforschungsministerium, das Bundeswirtschaftsministerium und das Bundesfinanzministerium dankten den Vorsitzenden für die in ambitioniertem Zeitrahmen entstandene Roadmap. Die Bundesregierung wird die Vorschläge nun auswerten und rasch ein Umsetzungskonzept entwickeln.

Ziel der Roadmap, ist es, im Zukunftsfeld Quantencomputing erfolgversprechende Technologiepfade zu identifizieren, um Quantencomputer mit deutschen und europäischen Komponenten und Know-how zu realisieren sowie das zugehörige Innovationsökosystem international konkurrenzfähig zu machen. Nächster Schritt ist nun, zeitnah erste Maßnahmen umzusetzen.