Quantencomputer-Industrie in Europa „Wir müssen eine europäische Quantenindustrie aufbauen"

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Die Quantentechnik hat das Potenzial, die Elektronikbranche grundlegend zu verändern. Während die USA und China mit Milliardeninvestitionen vorpreschen, droht Europa trotz exzellenter Forschung ins Hintertreffen zu geraten. Warum jetzt entscheidende Weichenstellungen nötig sind und welche Chancen sich für Elektronikentwickler eröffnen.

Mit der fortschreitenden Entwicklung in der Quantentechnik steht die Elektronikindustrie gleichzeitig vor neuen Problemen und Chancen. Während die Grundlagen der Quantenphysik bereits seit Jahrzehnten erforscht werden, rückt die praktische Anwendung in Form leistungsfähiger Quantencomputer in greifbare Nähe.

Europa positioniert sich in diesem Zukunftsfeld durch zwei bedeutende Initiativen: Die 2018 gestartete European Quantum Flagship Initiative, ein von der EU mit einer Milliarde Euro über zehn Jahre ausgestattetes Großprojekt, verfolgt das Ziel, europäische Spitzenforschung in marktfähige Quantentechnologien zu überführen. Mit mehr als 5.000 beteiligten Forschern aus Wissenschaft und Industrie konzentriert sich die Initiative auf vier Hauptbereiche: Quantenkommunikation, Quantencomputing, Quantensimulation sowie Quantensensorik und Metrologie.

Auf Industrieseite engagiert sich der 2021 gegründete Industrieverbund QUTAC (Quantum Technology & Application Consortium), der mittlerweile 14 führende deutsche Unternehmen vereint, darunter BASF, BMW Group, Bosch, Infineon, Merck, SAP und Volkswagen. Dieser Zusammenschluss fokussiert sich auf die praktische Anwendung von Quantencomputing in verschiedenen Industriebereichen und treibt die Entwicklung konkreter Anwendungsfälle voran, um Quantencomputing zur industriellen Anwendungsreife zu führen.

Was bedeutet diese Entwicklung für Elektronikentwickler? Welche technischen Hürden gilt es zu überwinden und wie kann die europäische Industrie in diesem Zukunftsfeld bestehen? Darüber sprach die ELEKTRONIKPRAXIS mit Dr. Reinhard Ploss, Repräsentant des Industrieverbunds QUTAC, und Prof. Jürgen Mlynek, Vorsitzender des Strategic Advisory Board der European Quantum Flagship Initiative.

Herr Dr. Ploss, Herr Prof. Mlynek, könnten Sie uns zunächst kurz Ihre Organisationen und deren Zielsetzungen vorstellen?

Prof. Jürgen Mlynek: Als Chairman des Strategic Advisory Board der European Quantum Flagship Initiative vertrete ich eine 2018 gestartete Leuchtturminitiative der EU mit einem Budget von einer Milliarde Euro und zehnjähriger Laufzeit. Unser Fokus liegt nicht nur auf Grundlagenforschung, sondern explizit auf der Schnittstelle zur wirtschaftlichen Anwendung. Die Initiative fördert vor allem Projekte, in denen Wissenschaft und Privatwirtschaft gemeinsam daran arbeiten, eine europäische Quantencomputer-Industrie mit zukunftsfesten Arbeitsplätzen aufzubauen. Das Strategic Advisory Board fungiert als eine Art Aufsichtsrat und berät die EU-Kommission bei der strategischen Ausrichtung des europäischen Quantenökosystems.

Dr. Reinhard Ploss: QUTAC wurde 2021 im Zuge des von Bundeskanzlerin Angela Merkel initiieren Innovationsdialoges formiert. Ich bin einer der Gründer und repräsentiere den Zusammenschluss nach außen, dem 14 der größten Unternehmen Deutschlands und Europas angehören. Unser Grundgedanke war es, dass neben der Hard- und Softwareentwicklung für das Quantencomputing auch Anwendungskompetenz essenziell sein wird.

Die Mitgliedsunternehmen von QUTAC erproben in Pilotprojekten, für welche Fragestellungen sich das Quantencomputing eignet, wo es den heutigen High-Perfomance-Computern überlegen sein wird oder wie sich das Denken und die Algorithmik verändern müssen, um das Potenzial voll auszuschöpfen. Das schauen sich unsere Mitglieder für ihre jeweiligen Branchen an und untersuchen den Impact auf ihre Geschäftsmodelle, etwaige Marktchancen und das disruptive Potenzial des Quantencomputings. Es gibt noch keinen Quantencomputer, der leistungsfähig genug ist, aber wir wollen in der Lage sein loszulegen, wenn es soweit ist und nicht dann erst anfangen nachzudenken was, wie und mit wem.

Im Bereich Quantencomputing existieren diverse technologische Ansätze. Welche Plattformen haben aus Ihrer Sicht das größte Potenzial für eine erfolgreiche Elektronikentwicklung und Skalierung?

Mlynek: Als Physiker sehe ich die Vielfalt an Qubit-Implementierungen – von Halbleitern und Supraleitern bis hin zu Neutralatomen, Ionen und Photonen – faszinierend. Wissenschaftlich gesehen ist diese Diversität bereichernd. Doch aus pragmatischer Sicht ist sie auch ein Hinweis darauf, dass es noch keinen klaren Gewinner gibt. Einige Ansätze wie Supraleiter, Ionen und Neutralatome zeigen vielversprechende Ergebnisse. Die entscheidende Frage ist jedoch: Wie gehen wir mit begrenzten Ressourcen um? Sollten wir weiterhin alle Plattformen fördern oder uns auf zwei bis drei konzentrieren und gezielt auf deren Marktreife hinarbeiten?

Aus meiner Sicht benötigen wir jetzt breite Konsortien, in denen auch große Industrieunternehmen mitwirken und finanzielle Risiken mittragen. In den USA fließen dreistellige Millionenbeträge an Quantencomputing-Spin-Offs von Spitzenuniversitäten, China verfolgt strategische Förderansätze mit massiver staatlicher Unterstützung. In Europa haben wir zwar eine exzellente wissenschaftliche Basis, aber wir müssen nun den Schritt vom Labor zum professionellen Engineering, zur Miniaturisierung und zu zuverlässigen Fertigungsprozessen schaffen.

Ploss: Ich stimme zu. Es geht jetzt um Industrialisierung und entsprechende Lernkurven. Für Quantensysteme mit vielen funktionsfähigen Qubits ist eine Präzision in der Fertigung erforderlich, die Start-ups allein kaum leisten können. Wer diese Lernkurve am effektivsten durchläuft, wird das Rennen zur Marktreife gewinnen. Deshalb sollten wir uns auf einen oder zwei vielversprechende Ansätze konzentrieren und mit der Skalierung beginnen.

Das wird erhebliche Investitionen erfordern und ist kein typisches Start-up-Thema mehr. Wir müssen uns dem globalen Wettbewerb stellen – Unternehmen wie Nvidia haben bereits Quantum-Center gegründet und investieren zehnstellige Summen. Ein wichtiger Aspekt für Elektronikentwickler: Die Hardware-, Software- und Middleware-Entwicklung muss in diesem Bereich nahezu synchron verlaufen. Dies stellt eine besondere Herausforderung dar, bietet aber auch enorme Chancen.

Welche konkreten technischen Herausforderungen sehen Sie bei der Hardware-Entwicklung für Quantencomputer, die für Elektronikentwickler besonders relevant sind?

Ploss: Die größte Herausforderung liegt in der Skalierung und Präzisionsfertigung. Quantensysteme erfordern eine extreme Genauigkeit bei der Herstellung und Ansteuerung von Komponenten, da bereits kleinste Störungen die Quantenzustände kollabieren lassen können. Für Elektronikentwickler bedeutet dies, völlig neue Ansätze für Materialien, Schaltkreise und Steuerungstechnik zu entwickeln.

Ein weiteres Problem ist die Integration von Quantenkomponenten mit klassischer Elektronik. Die Quanten-Logikgatter müssen mit konventionellen elektronischen Systemen kommunizieren können. Diese Schnittstelle zwischen Quantenwelt und klassischer Elektronik ist entscheidend und stellt eine immense technische Herausforderung dar.

Hinzu kommt die Fehlerkorrektur – in der klassischen Elektronik haben wir Methoden entwickelt, um Fehler zu erkennen und zu korrigieren. Bei Quantensystemen ist dies fundamental schwieriger, da schon die Messung selbst den Quantenzustand beeinflussen kann. Hier brauchen wir völlig neue Konzepte für fehlertolerante Systeme.

Mlynek: Ein kritischer Aspekt ist die Miniaturisierung. Momentan befinden wir uns bei raumfüllenden Laboraufbauten mit aufwändigen Kühlsystemen. Um Quantencomputer praktikabel zu machen, müssen wir zur Chip-Integration kommen. Dies erfordert spezialisierte Fertigungsprozesse, die über die klassische Halbleitertechnologie hinausgehen.

Zudem müssen die Systeme unter möglichst realen Bedingungen getestet werden. Während aktuelle Quantencomputer in optimierten Laborumgebungen arbeiten, müssen kommerzielle Systeme in weniger kontrollierten Umgebungen zuverlässig funktionieren. Für Elektronikentwickler bedeutet dies, robuste Designs zu entwickeln, die Störungen abschirmen und mit den extremen Anforderungen an Temperatur und elektromagnetische Isolation umgehen können.

Trotz der noch nicht vollständig ausgereiften Hardware: Warum ist es für Unternehmen und speziell für Elektronikentwickler bereits jetzt wichtig, sich mit Quantencomputing zu beschäftigen?

Ploss: Es zeichnet sich klar ab, welches Potenzial Quantencomputer bieten – sei es in der Pharmazie, Chemie, Finanzwirtschaft, Logistik oder Produktionsplanung. Überall, wo komplexe Probleme mit vielen Variablen gelöst werden müssen, werden Quantencomputer klassischen Systemen überlegen sein.

Für die Elektronikindustrie bedeutet dies einerseits eine neue Klasse von Produkten und Dienstleistungen, andererseits eine fundamentale Veränderung der eigenen Entwicklungs- und Produktionsprozesse. Wer frühzeitig versteht, wie Quantencomputing angewendet werden kann, wird entscheidende Wettbewerbsvorteile haben. Elektronikentwickler können durch Quantenalgorithmen etwa Materialeigenschaften präziser simulieren oder komplexere Schaltungen optimieren.

Warten wir zu lange, werden andere Akteure diese Marktpotenziale erschließen und sich nebenbei unser Branchen-Know-how aneignen. Ähnliche Prozesse beobachten wir bereits in der Digitalisierung: Anbieter digitaler Plattformen erwerben sukzessive Fachwissen, mit dem sie dann in die Kerngeschäfte der Branchen vordringen, für die sie zunächst nur IT-Dienstleister waren.

Mlynek: Hinzu kommt, dass Quantencomputing die Art und Weise, wie wir über Berechnungen und Algorithmen denken, grundlegend verändert. Es ist ein Paradigmenwechsel. Selbst wenn die Hardware noch nicht vollständig ausgereift ist, können Unternehmen bereits jetzt von diesem neuen Denkansatz profitieren.

Für die Elektronikbranche speziell sehe ich große Chancen bei der Simulation neuer Materialien und Komponenten. Anstatt durch langwierige Trial-and-Error-Prozesse zu gehen, könnten Quantencomputer helfen, optimale Materialeigenschaften vorherzusagen oder komplexe elektronische Schaltungen zu simulieren, bevor sie physisch gefertigt werden. Dies würde Entwicklungszeiten drastisch verkürzen und Innovationen beschleunigen.

Wie beurteilen Sie die europäische Position im internationalen Wettbewerb um die Quantum-Technologieführerschaft, insbesondere im Vergleich zu den USA und China?

Mlynek: Wissenschaftlich sind wir in Europa absolut auf Augenhöhe. Unsere Forschung in der Quantenphysik gehört zur Weltspitze. Das Problem liegt in der Umsetzung im großen Maßstab. Während die USA und China strategischer, fokussierter und pragmatischer vorgehen, verlieren wir in Europa oft Zeit durch den Interessenausgleich zwischen Mitgliedsstaaten mit entsprechenden Reibungsverlusten.

Ein weiteres Hindernis ist die fehlende Infrastruktur: In den USA gibt es große Technologiekonzerne mit Hardware-, Internet- oder Softwarehintergrund, die sowohl die Mittel als auch das Know-how haben, eigene Quantencomputer zu bauen. Diese "System-Maker" fehlen in Europa weitgehend – wir haben hauptsächlich 'System-Taker' und einige Komponentenhersteller. Dazu kommt der Finanzierungsunterschied: Europäische Start-ups erhalten typischerweise zweistellige Millionenbeträge, während in den USA hohe dreistellige Millionensummen fließen.

Ploss: Ein großes Problem ist unsere Risikoscheu in Europa. Statt Wagnis zu fördern, haben wir eine Verbotskultur entwickelt. Zudem fehlt es an klaren Kaufzusagen von Staat, Industrie und Wissenschaft für Quantencomputer, sobald diese verfügbar sind. Solche verbindlichen Absichtserklärungen würden Investitionen erleichtern.

Die neue geopolitische Lage könnte allerdings eine Dynamikänderung bewirken. Es werden hohe Summen diskutiert, um die technologische Souveränität Europas zu stärken. Quantencomputing ist für die digitale Souveränität und eine leistungsfähige Infrastruktur essenziell. Wir brauchen jetzt eine "Koalition der Willigen" aus Politik, Forschung und Industrie, die gemeinsam und zielgerichtet vorgeht.

Was würden Sie Elektronikentwicklern raten, die sich auf die Quantencomputing-Ära vorbereiten möchten?

Ploss: Beginnen Sie damit, sich mit den Grundprinzipien des Quantencomputings vertraut zu machen. Untersuchen Sie, welche Probleme in Ihrem Arbeitsbereich durch Quantenalgorithmen besser gelöst werden könnten. Nutzen Sie die verfügbaren Simulatoren und Cloud-Zugänge zu bestehenden Quantencomputern, um erste Erfahrungen zu sammeln.

Für Unternehmen empfehle ich, in interdisziplinäre Teams zu investieren, die sowohl Quantenphysik- als auch Elektronik-Expertise vereinen. Die Entwicklung von Quantenhardware und den zugehörigen Steuerungssystemen wird eine Schlüsselkompetenz der Zukunft sein. Beteiligen Sie sich an Forschungsprojekten und Kooperationen – der Austausch zwischen Wissenschaft und Industrie ist in diesem Bereich entscheidend.

Mlynek: Ich empfehle Elektronikentwicklern, sich nicht nur auf die Quantenhardware selbst zu konzentrieren, sondern auch auf die klassische Elektronik, die für den Betrieb von Quantencomputern essenziell ist. Hochpräzise Kontrollsysteme, spezielle Verstärker und Messgeräte, Kühlsysteme – all diese Komponenten müssen weiterentwickelt werden, um die nächste Generation von Quantencomputern zu ermöglichen.

Informieren Sie sich über die verschiedenen Hardware-Plattformen und deren spezifische Anforderungen. Ob Supraleiter, Ionen oder Neutralatome: Jeder Ansatz benötigt angepasste elektronische Komponenten. Diese Vielfalt bietet zahlreiche Spezialisierungsmöglichkeiten für Elektronikexperten.

Nicht zuletzt sollten Entwickler den Blick über den eigenen fachlichen Tellerrand wagen. Quantencomputing verlangt interdisziplinäres Denken. Das beginnt mit der Physik und reicht über die Materialwissenschaft bis zur Elektronik und Informatik. Wer diese Brücken schlagen kann, wird in der kommenden Quantenära besonders gefragt sein. (heh)

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