Getrieben durch hohe staatliche und private Investitionen in Quantentechnologien in den vergangenen Jahren, steigt der Bedarf an Forschenden und Ingenieuren in den Bereichen Sensorik und Metrologie sowie Kommunikation und Computing – eine weltweite Talentlücke scheint sich zu bilden. Die Quantentechnologien 2.0, die auf der Kontrolle und Manipulation einzelner Quantensysteme basieren, werden mittlerweile an verschiedenen Universitäten in Deutschland als Masterstudiengang angeboten. Zusammen mit unserem Gast Prof. Dr. Artur Widera, der an der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern-Landau (RPTU) als wissenschaftlicher Direktor den im Wintersemester 2024/25 startenden Fernstudiengang „Quantum Technologies“ verantwortet, diskutieren wir über Quantentechnologien der zweiten Generation als Ausbildungsthema, inkl. Lerninhalten und Jobaussichten.

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Prof. Dr. Artur Widera forscht und lehrt im Fach Physik an der RPTU. Nach seinem Studium an den Universitäten Würzburg, Austin (Texas) und LMU München promovierte er an der Universität Mainz bei Prof. Immanuel Bloch. Er war wissenschaftlicher Assistent in der Gruppe von Prof. Dieter Meschede bevor er 2010 an die Technische Universität Kaiserslautern berufen wurde. In seiner Forschung arbeitet er an ultrakalten Quantengasen, einzelnen neutralen Atomen, optisch aktiven Fehlstellen in Diamanten und an Optimierungsproblemen in Quantenprozessoren, die aus Rydbergatomen in Anordnungen von optischen Pinzetten bestehen. Er wurde mehrfach für seine Lehre ausgezeichnet und engagiert sich in der Vermittlung von Grundlagen der Quantentechnologien.

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Die Begriffe Maschinelles Lernen und KI sind dieser Tage in aller Munde. Der technologische Fortschritt, Computer mit Blick auf das Lösen bestimmter Aufgaben zu trainieren, ist atemberaubend. Zum aktuellen Stand beim Trainieren von Quantencomputern sprechen wir in der neuen Podcastfolge mit dem theoretischen Physiker Daniel Scherer vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS. Wir diskutieren unter anderem, wie verschiedene Lernverfahren oder Algorithmen auf derzeit verfügbarer Quantenhardware implementiert werden und welche Herausforderungen und Perspektiven damit verbunden sind.

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Dr. Daniel Scherer ist theoretischer Physiker und derzeit Senior Scientist und Programm Manager für Quantencomputing in der Forschungsgruppe für Selbstlernende Systeme am Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen IIS- in Nürnberg. Über Umwege in die Quantenfeldtheorie und Vielteilchenprobleme der Festkörperphysik kam er 2019 bei Fraunhofer wieder zur Quanteninformationstheorie zurück, ein Thema, mit dem er schon in seiner Diplomarbeit an der Uni Bayreuth Berührung hatte. In seiner aktuellen Rolle entwickelt er unter anderem die Forschungsstrategie im Themenfeld Quantencomputing.

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Lange Vision, heute Realität: Schon der Physik-Nobelpreisträger aus dem Jahr 1965 Richard Feynman plante einen Quantensimulator zur Untersuchung komplexer Quantenmaterie. Dies ist mit Hilfe von ultrakalten Atomen in optischen Gittern möglich: Mit Laserstrahlen können künstliche Lichtkristalle erzeugt werden, die Atome in einem Gitter aus mikroskopischen Lichtfallen fangen. So entstehen künstliche Modellsysteme für echte Festkörper, die man auf völlig neue Weise kontrollieren und untersuchen kann. Diese Kontrolle einzelner Atome kann auch Grundlage für den Bau eines Quantencomputers sein. Welche Herausforderungen es dabei gibt und wie eine Hardwareplattform auf Basis neutraler Atome im Vergleich beispielsweise zu Supraleiter-basierten Quantencomputern performt, ist Fokus dieser Podcast-Folge mit dem Direktor des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik Immanuel Bloch.

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Prof. Dr. Immanuel Bloch ist wissenschaftlicher Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und Professor für Experimentalphysik an der Ludwig-Maximilians-Universität in München. Er gehört zu den weltweit führenden Wissenschaftler:innen auf dem Gebiet der Forschung an ultrakalter Quantenmaterie bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Hierfür ist er mit zahlreichen Forschungspreisen wie dem Gottfried-Wilhelm-Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Bundesverdienstorden ausgezeichnet worden.

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Annealing – zu Deutsch „Glühen“ – ist ein Vorgang in der Werkstoffkunde, bei dem durch Anwärmen, Durchwärmen und anschließendem Abkühlen von meist metallischen Werkstücken diese in einen gewünschten Zustand überführt werden können. Beim Quantum Annealing wird ein ähnliches Prinzip verwendet: Quantenzustände werden derart manipuliert, dass mit ihnen bestimmte Algorithmen ausgeführt werden können. Diese ermöglichen es, mathematische Probleme – beispielsweise aus der Optimierung – zu lösen. Wie weit ist dieser technologische Ansatz? Wie unterscheidet er sich vom üblichen gatterbasierten Quantencomputing? Welche Anwendungsfälle sind geeignet und welche Herausforderungen bestehen derzeit? Diese und viele weitere Fragen besprechen wir in unserer neuen Folge mit Dr. Tobias Stollenwerk, dem aktuellen Leiter der Gruppe Quantenalgorithmen am Institut für Quantencomputing-Analytik (PGI-12) des Forschungszentrums Jülich.

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Tobias Stollenwerk promovierte in theoretischer Physik der kondensierten Materie bei Hans Kroha an der Universität Bonn, wo er stark korrelierte elektronische Materialien untersuchte. Von 2013 bis 2022 arbeitete er am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, wo er die Gruppe für Quantencomputing am Institut für Softwaretechnik leitete. Die Gruppe untersuchte anwendungsorientiertes Quantencomputing auf NISQ-Geräten. Vor kurzem wechselte er zum Forschungszentrum Jülich, wo er nun die Gruppe Quantenalgorithmen am Institut für Quantencomputing-Analytik (PGI-12) unter Frank Wilhelm-Mauch leitet. Seit 2016 war er mehrfach für jeweils mehrere Monate als Gastforscher am Quantum Artificial Intelligence Laboratory der NASA Ames.

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Quantencomputer könnten schon bald in der Lage sein, asymmetrische Kryptographie-Verfahren wie die RSA-Verschlüsselung zu knacken. Daher investieren immer mehr Regierungen weltweit in neue „quantensichere“ Kryptographie-Verfahren: die sogenannte Quantenkryptographie. In der siebten Folge des Quantenradars beschäftigen wir uns mit dem Thema Kryptographie mit Hilfe von Quantenphysik – einem noch sehr jungen Verschlüsselungsansatz, der höchste Informationssicherheit verspricht. Hierzu sprechen wir mit unserem Gast Prof. Dr. Christoph Marquardt vom Lehrstuhl für Optische Quantentechnologien der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg über Quantenschlüsselaustausch (Quantum Key Distribution / QKD) und Quantenkommunikation, den Grundlagen von Quantenkryptographie. Wie der Stand der Technik ist, was es mit Post-Quanten-Kryptographie auf sich hat und wer die wichtigen Player auf dem noch jungen Feld der Kryptographie sind, das beleuchten wir für euch auf der Tonspur – noch klassisch verschlüsselt – in der neuen Folge des Quantenradars.

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Christoph Marquardt ist Inhaber des Lehrstuhls für Optische Quantentechnologien an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und Leiter der Forschungsgruppe Quanteninformationsverarbeitung am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen. Seine Forschungsthemen decken ein breites Spektrum von Quantenoptik und Quanteninformationsexperimenten ab, von nichtlinearer Photonik bis zu satellitengestützter Quantenkryptografie. Christoph Marquardt war in Beratungsgruppen für die Europäische Union und die deutsche Regierung tätig und ist Mitbegründer des Start-ups KEEQuant. Er ist in mehreren EU- und nationalen Forschungsprojekten zur Quantenkommunikation aktiv und kümmert sich um die Architektur der deutschen BMBF-Initiative QuNet zur Quantenschlüsselverteilung.

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Nicht nur im Bereich Computing, sondern auch in den Bereichen Sensorik und Kommunikation versprechen sich viele Automobilhersteller und deren Zuliefererindustrie perspektivisch Vorteile, wenn sie quantenbasierte Technologien einsetzen. Bereits im März 2017 hatte Volkswagen bekannt gegeben, mit dem kanadischen Quantencomputerhersteller D-Wave zu kooperieren. Die Partner haben in einem ersten Anwendungsfall demonstriert, wie Quantencomputing eingesetzt werden kann: Ziel war, den Verkehrsfluss in Peking auf Basis realer Daten von Taxis zu optimieren. In dieser Folge sprechen wir mit Alissa Wilms von Porsche Digital – der Digitaleinheit der Porsche AG – über den aktuellen Stand der Technik beim Einsatz von Quantentechnologien in der Automobilbranche, laufenden Arbeiten in der Forschung und Entwicklung, und nicht zuletzt darüber, wie der Technologietransfer angegangen wird.

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Lange vor dem Beginn ihrer wissenschaftlichen Karriere war Alissa Wilms als Schauspielerin und Modebloggerin aktiv. Nun promoviert Sie zum Thema Quantum Computing bei Jens Eisert an der Freien Universität Berlin und verantwortet den Themenbereich Quanten Technologien in der Porsche Digital GmbH. Neben der Forschung gehören die Lehre sowie die Entwicklung und Implementierung von Anwendungsfeldern zu Ihrer täglichen Arbeit. Sie ist somit in beiden Welten – der akademischen und der praktischen – zu Hause. Sie tritt an, die Brücke zwischen den beiden Welten zu bauen.

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Von Software und Algorithmus über Operationen und Signale bis zu Verstärkern und QBits. Zusammen mit Dr. Moritz Kirste von Zurich Instruments – ein Unternehmen, das u.a. Kontrollsysteme für Quantencomputer entwickelt und vertreibt – diskutieren wir verschiedene Aspekte und Herausforderungen bei der Entwicklung von Supraleiter-basierten Quantencomputern. Außerdem ordnen wir den Hype noch einmal ein: Im November 2022 hat IBM seinen neuen auf supraleitenden Schaltkreisen basierenden Quantencomputerprozessor namens „Osprey“ vorgestellt. Dieser verfügt nun über 433 Qubits und damit über knapp viermal soviele im Vergleich zum Vorgängermodell. Wieviel besser ist der neue Prozessor und welche technologischen Herausforderungen stellen sich bei der Skalierung von Quantencomputern? Neben dem eigentlichen Prozessor und der Software ist die zum Quantencomputer gehörende Kontrollelektronik ein zentrales Element, das wir in dieser Folge näher beleuchten.

Dr. Moritz Kirste ist Teamleiter für Quantentechnologien bei Zurich Instruments. Mit seinem Team unterstützt er Kunden für Quanten-Computer-Kontroll-Systeme und ist verantwortlich für wissenschaftliche Kollaborationsprojekte. Als Experimentalphysiker beschäftigte er sich am Fritz-Haber-Institut in Berlin und an der Academia Sinica in Taipeh mit den physikalischen und chemischen Prozessen von Molekülen in der Gasphase. Er arbeitete als wissenschaftlicher Berater, beriet politische Institutionen und Unternehmen in den Bereichen Innovationspolitik und Technologiebewertung und war im Bereich Data Science für die Entwicklung kundenspezifischer Business Analytics Produkte verantwortlich.

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Metrologie ist die Wissenschaft vom Messen und ihre Anwendung. In dieser Episode beantworten wir die Frage, was Metrologieinstitute mit der Entwicklung neuer Quantentechnologien zu tun haben. Mit unserem Gast Nicolas Spethmann von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, der nationalen Metrologieinstitution, diskutieren wir die Folgen der sogenannten Revolution des internationalen Einheitensystems im Mai 2019 für die Entwicklung von Quantentechnologien. Ein weiterer Aspekt im Gespräch ist die Bedeutung von Quanten-Metrologie und -Sensorik für Unternehmen. Wir beenden die Folge mit einem Ausblick auf das kommende Jahr.

Nicolas Spethmann ist Leiter des Quantentechnologie-Kompetenzzentrums(QTZ) an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB). Er promovierte 2012 in der Gruppe „Quantentechnologie mit einzelnen neutralen Atomen“ von Prof. Dieter Meschede an der Universität Bonn. Anschließend erhielt er ein Marie-Curie Outgoing Fellowship an der University of California, Berkeley, wo er sich mit Kraftmessungen am Quantenlimit und der quantenlimitierten Kopplung von kalten atomaren Gasen über Photonen beschäftigte. Seit 2019 leitet er das QTZ an der PTB, das gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft den Transfer von Quantentechnologien aus der Grundlagenforschung in die Anwendung verfolgt. Zudem ist er seit 2020 Vice-Chair der Focus Group on Quantum Technologies bei den europäischen Normungs- und Standardisierungsorganisationen CEN und CENELEC und seit 2021 stellvertretender Vorsitzender des Technischen Komitees 25 „Quantenmessung und -information“ der IMEKO.

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Viele technisch Interessierte haben zumindest eine grobe Idee davon, wie ein Quantencomputer aussieht. Aber wie funktioniert eigentlich ein Quantencomputer? Wie lassen sich die modernen Rechner programmieren? Und wie sieht der Alltag einer Quantenprogrammiererin aus? Darüber unterhalten wir uns in der dritten Podcast-Folge mit Dr. Dr. Regina Finsterhölzl, die an der Universität Konstanz zum Thema Quantenfehlerkorrektur forscht. Dabei sprechen wir über die Unterschiede und Gemeinsamkeiten von klassischen Computern und Quantencomputern, die Potenziale der Fehlerkorrektur für das Quantencomputing – sowie die Möglichkeiten, zu Forschungszwecken auf einen Quantenrechner zuzugreifen. Eine Erkenntnis: Die Einstiegshürden für interessierte Anwender:innen sind niedriger als zumeist angenommen.

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Dr. Dr. Regina Finsterhölzl ist promovierte Physikerin und Historikerin. Ihre Doktorarbeit in der Physik hat sie in der Theorie korrelierter Quantensysteme an der Technischen Universität Berlin geschrieben. Parallel zu ihrem Studium arbeitete sie als Data Scientist und Beraterin für Quantentechnologien am Institut für Innovation und Technik (iit) in Berlin. Seit 2021 forscht sie am Lehrstuhl von Guido Burkard an der Universität Konstanz zur Quantenfehlerkorrektur auf derzeit verfügbarer Quantenhardware.

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Um eine Technologie aus der Grundlagenforschung und den Laboren in ein marktfähiges Produkt zu überführen, bedarf es verschiedenster Akteure, die äußerst effizient zusammenarbeiten müssen. Das gilt umso mehr für die Entwicklung von Quantentechnologien. In dieser Episode widmen wir uns der Frage, welche Bedeutung Ökosysteme, Netzwerke und Kollaborationen für die Entwicklung von Quantentechnologien der 2. Generation haben. Gemeinsam mit unserem Gast Johannes Verst, CEO vom Quantum Business Network (QBN), sprechen wir über den Status Quo in Deutschland und Europa, den USA und China – und diskutieren über hemmende und beschleunigende Faktoren bei der Entwicklung marktreifer Quantentechnologien. Dabei bekommen wir u. a. einen praktischen Einblick in den Arbeitsalltag von Johannes Verst und die Ziele vom Quantum Business Network.

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Johannes Verst ist Gründer und Geschäftsführer von QBN (Quantum Business Network), einem Mitglieder-getriebenen Innovationsnetzwerk mit dem Ziel, eine starke, nachhaltige Quantenindustrie in Europa aufzubauen. Seit 2021 treibt der studierte Quantenphysiker das Projekt voran – und greift dabei u. a. auf über sechs Jahre Erfahrung im internationalen Clustermanagement und als Company Builder im Bereich Deeptech zurück. Johannes Verst ist Mitgründer des VC Fonds „BlackQuant“, der mit einem Volumen von 100 Mio. EUR in early-stage Unternehmen und Scale-ups investiert.

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