Wir stehen am Anfang einer neuen Ära, die Entdeckungen in Wissenschaft und Technik beschleunigen wird. Neuartige Rechenplattformen werden die grundlegenden Gesetze unseres Universums erforschen und helfen, Probleme zu lösen, die uns alle betreffen. Programme für das maschinelle Lernen, angetrieben von spezialisierten Chips, bringen schon jetzt einen Durchbruch nach dem anderen.

Das Quantencomputing ist Teil des größeren Bereichs der Quanteninformatik. Deren drei Zweige Berechnung, Kommunikation und Sensorik entwickeln sich schnell weiter, eine Entdeckung in einem Bereich kann den Fortschritt in einem anderen beflügeln. Unternehmen und Investoren interessieren sich zunehmend für das Feld. Wir stehen wie gesagt noch am Anfang. Doch schon jetzt zeigen sich faszinierende Möglichkeiten in der nahen Zukunft. Allein in den vergangenen drei Jahren haben Fonds mehr als 650 Millionen Dollar in Quanten-Unternehmen investiert. Ihr Ökosystem wächst rund um die Welt, es wird nicht von einer oder zwei Städten dominiert.

Kommunikation und Sensorik

Quantenkommunikation nutzt die besonderen Eigenschaften von Quantensystemen, um Informationen so zu übertragen, dass kein potentieller Mithörer sie lesen kann. Dieser Zweig wird insbesondere deshalb wichtig, weil Quantencomputer uns dazu treiben, unsere Kryptographie vor ihnen selbst sicher zu machen: Quantenrechner von ausreichender Größe werden in der Lage sein, viele der derzeit verwendeten Verschlüsselungen zu brechen. Das bedeutet, dass neue Protokolle entwickelt und eingeführt werden müssen.

Es gibt resistente Verschlüsselungen, die zurzeit getestet werden, zum Beispiel als Teil des vom amerikanischen Normungs- und Cybersicherheitsinstitut angestoßenen NIST-Prozesses. Für sie gibt es keine bekannten Quantenangriffe (und klassische übrigens ebenfalls nicht). Für absolute Sicherheit könnten einige jedoch neue Quanten-Kommunikationsprotokolle bevorzugen, die ein neues Quanten-Internet nutzen. Durch die fundamentalen Gesetze der Physik werden diese Protokolle garantiert sicher sein – allerdings erfordern sie neue Hardware, die über das hinausgeht, was wir zurzeit für die klassische Datenübertragung verwenden.

Quantensensorik ist wiederum ein Forschungsfeld, das mit Hilfe von Quantengeräten die klassischen Grenzen der Erfassung von Magnetfeldern und Ähnlichem überschreitet. Eine neue Art von Sensoren zur Erkennung von Position, Navigation und Zeit auf atomarer Ebene zum Beispiel kann hochpräzise Positionsdaten liefern, wenn GPS gestört oder nicht verfügbar ist. Auch für die Medizin bietet die Sensorik Vielversprechendes. Wissenschaftler haben schon gezeigt, dass man mit nanoskaligen Quantensensoren die elektromagnetische Aktivität einzelner Zellen messen kann. Diese Sensoren können das Feuern von Neuronen überwachen. In Zukunft könnte diese Technologie in neue diagnostische und therapeutische Methoden und Instrumente münden.

Einer der entscheidenden Unterschiede zwischen Quanten- und klassischen Rechnern ist, dass in Ersterem Quantenzustände selbst manipuliert werden. Das stellt einen viel größeren Rechenraum zum Arbeiten zur Verfügung, als klassische Computer bieten können. Wenn auf einem herkömmlichen Computer ein in der Realität vorkommendes quantenmechanisches System modelliert werden soll, geht das nur mit Darstellungen eines solchen Systems – die Physik selbst kann nicht implementiert werden. Dieser wesentliche Unterschied birgt spannende Möglichkeiten für die Zukunft von Informatik und Naturwissenschaften.