Quantentechnologien: Von der Physik des Mikroskopischen zu neuen Anwendungen.
Quantentechnologien haben das Potenzial, IT, Sicherheit & Datenverarbeitung grundlegend zu verändern. Um einen verständlichen Einblick in dieses komplexe Zukunftsthema zu geben, haben wir die Expertise von Helene Hainzer, Knowledge Broker for Quantum Technologies, eingeholt. Helene Hainzer hat in diesem Artikel die wichtigsten Grundlagen sowie Entwicklungen kompakt aufbereitet.
Quantentechnologien gehören zu den spannendsten technologischen Entwicklungen unserer Zeit. Sie basieren auf den Gesetzen der Quantenphysik, der Physik der kleinsten Bausteine der Natur (wie Atomen, Molekülen, Elektronen oder Lichtteilchen), Objekte, die sich grundlegend anders verhalten als die makroskopischen Objekte unserer alltäglichen Welt.
Dass aus diesen quantenphysikalischen Systemen leistungsfähige Technologien entstehen können, ist allerdings nichts Neues. Tatsächlich prägen Quantentechnologien unseren Alltag schon seit Jahrzehnten.
Knowledge Broker for Quantum Technologies University of Vienna & Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ)
Die erste Quantenrevolution
Viele der wichtigsten Technologien des 20. Jahrhunderts beruhen auf quantenphysikalischen Phänomenen. Dazu gehören beispielsweise der Laser, der heute von Supermarktkassen bis hin zu Augenoperationen eingesetzt wird. Ebenso zentral ist der Transistor, der grundlegende Baustein jedes Computers. Ohne ihn wäre unsere digitale Welt kaum vorstellbar. Diese Entwicklungen werden häufig als erste Quantenrevolution bezeichnet. Dabei nutzte man quantenphysikalische Effekte vor allem in großen Ensembles von Teilchen, also in kollektiven Systemen.
Die zweite Quantenrevolution
Heute stehen wir am Beginn einer neuen Phase: der zweiten Quantenrevolution. Der entscheidende Unterschied liegt darin, dass Forschende inzwischen in der Lage sind, einzelne Quantenobjekte gezielt zu kontrollieren. Dadurch können deren besondere, zuvor nicht zugängliche, Eigenschaften genutzt werden, wodurch eine völlig neue Klasse an Technologien möglich wird. Zu diesen Eigenschaften zählen:
Überlagerung (Superposition): Ein Quantensystem kann gleichzeitig mehrere mögliche Zustände einnehmen. Anders als in der klassischen Physik ist ein Teilchen also nicht eindeutig festgelegt, bevor man es misst. Ein Elektron kann zum Beispiel in einer Überlagerung verschiedener Orte existieren, ein Lichtteilchen kann in verschiedene Richtungen gleichzeitig schwingen.
Verschränkung: Quantenobjekte können so miteinander verbunden sein, dass ihr Zustand nur noch gemeinsam beschrieben werden kann. Misst man eine Eigenschaft eines Teilchens, ist damit auch das Ergebnis einer entsprechenden Messung am anderen festgelegt, selbst wenn sich beide weit voneinander entfernt befinden.
Messung: Der Messprozess spielt in der Quantenphysik eine besondere Rolle. Durch eine Messung wird ein Quantensystem auf einen bestimmten Zustand festgelegt: Die Überlagerung möglicher Zustände wird auf ein konkretes Ergebnis reduziert.
Warum rücken die Technologien der zweiten Quantenrevolution gerade jetzt so stark in den Fokus? Lange Zeit waren Experimente mit einzelnen Quantenobjekten nur in hochkontrollierten Laborumgebungen möglich. In den letzten Jahren ist es jedoch gelungen, diese Systeme immer stabiler und robuster zu machen, sodass sie zunehmend auch außerhalb von Labors eingesetzt werden können.
Die drei Säulen der Quantentechnologien
Quantentechnologien werden in drei zentrale Bereiche unterteilt:
- Quantencomputing
- Quantenkommunikation
- Quantensensorik
Insbesondere im Bereich Computing und Kommunikation ergeben sich zahlreiche Berührungspunkte mit der IT und digitalen Infrastruktur.
Quantencomputing: Neue Wege zu rechnen
Quantencomputer verfolgen einen grundlegend anderen Ansatz als normale (klassische) Computer. Sie sind nicht einfach schnellere Versionen heutiger Rechner, sondern eignen sich für bestimmte Problemklassen besonders gut.
Dazu gehören beispielsweise:
- Optimierungsprobleme, etwa in Verkehrsplanung, Logistik, Finanzmodellen oder Produktionsprozessen
- Durchsuchung großer Datenbanken
- Simulation physikalischer und chemischer Systeme: Ein großer Teil der Rechenleistung moderner Supercomputer wird heute für Simulationen physikalischer und chemischer Prozesse eingesetzt, deren Basis die Quantenphysik ist. Da Quantencomputer selbst quantenmechanische Systeme sind, können sie solche Prozesse direkter und potenziell effizienter simulieren. Wichtige Anwendungen liegen hier beispielsweise in der Materialforschung oder der Entwicklung neuer Medikamente.
Allerdings steht das Quantencomputing noch vor großen technischen Herausforderungen. Derzeit lassen sich nur einige Dutzend Quanten-Bits zuverlässig kontrollieren. Ein zentrales Problem ist die Empfindlichkeit von Quantensystemen gegenüber ihrer Umgebung: Schon kleinste Störungen können Fehler verursachen. Fehlerkorrektur ist zudem herausfordernd, da Quanteninformation nicht einfach kopiert werden kann. Deshalb wird intensiv an der Skalierung verschiedener Hardwareplattformen und neuen Fehlerkorrekturverfahren gearbeitet.
Dabei werden komplexe Probleme so aufgeteilt, dass klassische Rechner und Quantencomputer jeweils die Teilaufgaben übernehmen, für die sie am besten geeignet sind. Auch im Zusammenspiel mit künstlicher Intelligenz entstehen derzeit zahlreiche Ansätze, in denen diese Systeme einander ergänzen und gemeinsam komplexe Fragestellungen bearbeiten.
Quantenkommunikation: Sicherheit durch Naturgesetze
Ein weiterer wichtiger Bereich der Quantentechnologien ist die Quantenkommunikation. Hier wird Information mittels einzelner Lichtteilchen übertragen, beispielsweise über Glasfasernetze oder Satellitenverbindungen.
Ein zentrales Anwendungsfeld ist die Quanten-Kryptographie. Viele heute verwendete Verschlüsselungsverfahren basieren auf mathematischen Problemen, die für klassische Computer schwer zu lösen sind. Dazu gehört beispielsweise das bekannte RSA-Verfahren. Ein leistungsfähiger Quantencomputer könnte solche Probleme jedoch deutlich schneller lösen. Viele ExpertInnen gehen daher davon aus, dass dies bereits in den kommenden 10 bis 15 Jahren zu einer ernstzunehmenden Bedrohung für heutige Verschlüsselungsverfahren und Datensicherheit werden könnte.
Quantentechnologien bieten hier jedoch auch eine mögliche Lösung: Die Gesetze der Quantenphysik sorgen dafür, dass beim Einsatz einer quantenbasierten Verschlüsselung ein Abhörversuch nicht unbemerkt bleiben kann. Wird ein quantenmechanisches System gemessen oder manipuliert, verändert sich sein Zustand; ein Eingriff wird also sofort sichtbar. Diese Technologie wird bereits heute in Pilotprojekten eingesetzt, insbesondere zur Absicherung kritischer Infrastrukturen und Finanzsystemen.
Quantentechnologien in Österreich
Österreich spielt im internationalen Vergleich eine bemerkenswerte Rolle im Bereich der Quantentechnologien. Das Land weist eine besonders hohe Dichte an QuantenphysikerInnen auf und gehört seit vielen Jahren zur Weltspitze in der Grundlagenforschung. Diese starke wissenschaftliche Basis bildet auch eine hervorragende Grundlage für Innovationen. In den letzten Jahren ist eine wachsende Startup-Landschaft entstanden, die Forschungsergebnisse in konkrete Anwendungen überführt.
Für Unternehmen bietet sich hier eine große Chance: Quantentechnologien gelten als eines der strategisch wichtigsten Technologiefelder des 21. Jahrhunderts und werden zahlreiche Branchen, insbesondere im IT-Bereich, nachhaltig beeinflussen. Erste Kooperationen zwischen etablierten Unternehmen und Startups zeigen bereits, wie solche Technologien in realen Anwendungen getestet werden können.
Netzwerkausfälle simulieren mit Quantencomputern
Ein Beispiel dafür liefert das Innsbrucker Startup AQT, das Quantencomputer auf Basis von Ionenfallen entwickelt. Auf einem ihrer Quantencomputer wurde ein einfaches Modell eines Netzwerks untersucht, in dem einzelne Knoten ausfallen können und dadurch weitere Ausfälle auslösen. Solche kaskadierenden Ausfälle sind ein wichtiges Thema und Risiko in vielen Bereichen, etwa in Telekommunikationsnetzen, Lieferketten, Stromnetzen oder im Finanzsystem.
Klassisch werden solche Szenarien häufig mit Monte-Carlo-Simulationen analysiert, bei denen viele mögliche Entwicklungen eines Systems berechnet werden müssen. Hier wurde stattdessen ein Quantenalgorithmus eingesetzt, der gegenüber klassischen Methoden einen quadratischen Geschwindigkeitsvorteil bieten kann. Dabei werden im Quantencomputer viele mögliche Zustände des Systems gleichzeitig überlagert. Durch gezielte Interferenz kann das gesuchte Ergebnis verstärkt und anschließend ausgelesen werden.
Die untersuchten Modelle sind derzeit noch sehr klein und lassen sich auch problemlos auf klassischen Computern berechnen. Dennoch sind solche Machbarkeitsstudien wichtig: Sie zeigen, wie hybride Rechenarchitekturen funktionieren und welche Rolle Quantencomputer künftig bei der Analyse komplexer Systeme spielen könnten, wie hier im Speziellen bei der Risikoanalyse und Resilienzplanung kritischer Infrastrukturen.
Quelle: Quantum amplitude estimation with error mitigation for time-evolving probabilistic networks
https://arxiv.org/abs/2303.16588
Quantensichere Kommunikation aus Österreich
Auch im Bereich der Quantenkommunikation gibt es wichtige Akteure in Österreich. Dazu zählen beispielsweise die Wiener Startups zerothird und qtlabs sowie das Forschungsinstitut AIT Austrian Institute of Technology.
So kündigte zerothird kürzlich eine Zusammenarbeit mit der Erste Bank an, um Bankdaten über die Glasfaserinfrastruktur von A1 mithilfe quantensicherer Kryptographie zu schützen. In einem weiteren Projekt mit der ÖBB, qtlabs und weiteren Partnern wurde die Steuerung von Bahnweichen auf einer rund 200 Kilometer langen Teststrecke mit quantensicherer Kryptographie abgesichert.
Auch im Gesundheitsbereich wurden bereits Pilotprojekte umgesetzt. In Graz konnten medizinische Daten in Zusammenarbeit mit dem AIT und dem Unternehmen fragmentiX mithilfe quantensicherer Technologien sicher übertragen werden.
Quellen:
Erste Group setzt neue Maßstäbe in der Quantenverschlüsselung
https://www.erstegroup.com/de/news-media/presseaussendungen/2026/02/23/erste-group-setzt-neue-massstaebe-in-der-quantenverschluesselung
Quantum-Safe Critical Infrastructure for Austria
https://projekte.ffg.at/projekt/5129072
Medical Data successfully protected by quantum-cryptography in Graz
https://fragmentix.com/pressrelease/openqkd/downloads
Fazit
Quantentechnologien befinden sich heute in unterschiedlichen Entwicklungsphasen. Während Anwendungen im Bereich der Quantenkommunikation und -kryptographie bereits vergleichsweise weit entwickelt sind und erste Pilotprojekte existieren, steht das Quantencomputing noch vor größeren technischen Herausforderungen. Gleichzeitig werden Quantencomputer bereits mit ersten, kleinen Problemstellungen erprobt, die potenziell praktische und relevante Anwendungen für Unternehmen und Gesellschaft bieten. Mit weiteren Fortschritten bei Hardware, Fehlerraten und der Anzahl kontrollierbarer Quanten-Bits könnten sich hier in den kommenden Jahren erhebliche Potenziale eröffnen.
Erfreulicherweise entstehen derzeit weltweit neue Ökosysteme aus Forschungseinrichtungen, Startups und Industriepartnern, die an der Entwicklung und Anwendung von Quantentechnologien arbeiten. Österreich verfügt dabei über eine besonders starke Ausgangsposition, dank exzellenter Grundlagenforschung, einer wachsenden Startup-Landschaft und zunehmender Kooperationen.
Für Unternehmen bedeutet das vor allem eines: Jetzt ist der richtige Zeitpunkt, sich mit dem Thema auseinanderzusetzen. Denn auch wenn viele Anwendungen noch in der Entwicklung sind, könnte kaum ein Bereich der digitalen Infrastruktur langfristig von den Auswirkungen der Quantentechnologien unberührt bleiben.
Mehr Informationen und mögliche Kooperationspartner
Quantencomputing in Österreich
Österreichische Startups:
- Alpine Quantum Technologies (AQT), ParityQC
- Software Competence Center Hagenberg (SCCH): unterstützt Unternehmen dabei, mögliche Anwendungen von Quantencomputing zu identifizieren
Quantenkommunikation und Kryptographie
Österreichische Startups:
- Quantum Technology Laboratories (qtlabs), zerothird, QUBO Technology, Quantum Network Design
- AIT Austrian Institute of Technology
Quelle: Text von Helene Hainzer, PhD
excellence@MP2: Wir bilden uns laufend weiter.
Knowledge Broker for Quantum Technologies
Im Rahmen unseres MP2-internen Weiterbildungs- und Impulsformats excellence@MP2 durften wir mit Helene Hainzer, Knowledge Broker for Quantum Technologies, University of Vienna & Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) und Expertin an der Schnittstelle von Forschung, Innovation und Entrepreneurship begrüßen. In ihrem Fachvortrag gab sie spannende Einblicke in das österreichische Quantentechnologie-Ökosystem und zeigte auf, wie essenziell der Austausch zwischen Wissenschaft, Start-ups, Industrie, Politik und Investor:innen für nachhaltige Innovation ist.
Basierend auf ihrer wissenschaftlichen Arbeit – unter anderem der Entwicklung eines Experiments zur Kontrolle einzelner geladener Atome – sowie ihrer heutigen Rolle am Vienna Center for Quantum Science and Technology und der Universität Wien, verdeutlichte sie, wie wichtig gezielte Vernetzung und strategischer Technologietransfer für den Fortschritt komplexer Zukunftstechnologien sind.
Ihr Impuls machte klar: Der Erfolg von Innovationen hängt nicht allein von technologischer Exzellenz ab, sondern maßgeblich von funktionierenden Kooperationen und einem starken, vernetzten Ökosystem. Dieser Gedanke unterstreicht auch unseren Anspruch bei MP2 IT-Solutions, technologische Kompetenz stets mit nachhaltiger Zusammenarbeit und der aktiven Gestaltung von Innovationsnetzwerken zu verbinden.
