Weltquantentag 2025 – 100 Jahre Quantenmechanik und die Zukunft der Quantentechnologie

Am 14. April 2025 wird der Weltquantentag begangen – eine globale Initiative, um das öffentliche Bewusstsein für die Quantenwissenschaft zu stärken. Das Datum verweist auf die gerundeten ersten Ziffern der Planck-Konstante (4,14 × 10⁻¹⁵ eV·s) und erinnert an die fundamentalen Prinzipien der Quantenmechanik, die vor 100 Jahren formuliert wurden. Gleichzeitig wird 2025 das „Internationale Jahr der Quantenwissenschaft und -technologie“ gefeiert, das die Errungenschaften der Quantenforschung und ihre wachsende Bedeutung für Wissenschaft, Wirtschaft und Sicherheit würdigt.

Historie und Status Quo der Quantentechnologien

Die Ursprünge der Quantenmechanik reichen ins frühe 20. Jahrhundert zurück und waren vor allem von Wissenschaftlern in Deutschland geprägt. Max Planck legte mit seiner Quantisierung der Energie (1900) den Grundstein für das Fachgebiet. Albert Einstein erweiterte das Konzept mit seiner Erklärung des photoelektrischen Effekts (1905), die zur Entwicklung der Wellen-Teilchen-Dualität führte. In den 1920er-Jahren entwickelten Werner Heisenberg und Erwin Schrödinger mathematische Formulierungen, die die Basis der modernen Quantenmechanik bilden.

In den folgenden Jahrzehnten ermöglichte die Quantenmechanik bahnbrechende technologische Innovationen – von der Entwicklung moderner Transistoren bis zur Laserphysik. Die zweite Quantenrevolution, die in den 1980er-Jahren begann, nutzte auch die Quantenverschränkung und schuf die Möglichkeit der Quanteninformationsverarbeitung.

Heute bilden Quantentechnologien eines der dynamischsten Forschungsgebiete mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten. Die wichtigsten Entwicklungsbereiche sind dabei:

Quantencomputer: Unternehmen und Forschungseinrichtungen weltweit arbeiten an der Entwicklung skalierbarer und fehlertoleranter Quantencomputer.
Quantenkommunikation: Quantenkryptographie, insbesondere durch Quanten-Schlüsselaustauschverfahren (QKD), ermöglicht abhörsichere Kommunikation und wird bereits in Pilotprojekten genutzt.
Quantensensorik: Hochpräzise Sensoren auf Basis quantenmechanischer Prinzipien revolutionieren Bereiche wie Navigation und Medizintechnik.

Europa und insbesondere Deutschland haben sich als führende Akteure in diesem Feld positioniert. EU, Bund und Länder investieren Milliardenbeträge in die Weiterentwicklung der Quantentechnologien, um sowohl die wissenschaftlichen als auch die wirtschaftlichen Potenziale zu erschließen.

Zukunftsperspektive: Das Forschungsprogramm „Mobiler Quantencomputer“

Ein herausragendes Beispiel für die strategische Forschung im Bereich der Quanteninformatik ist das von der Agentur für Innovation in der Cybersicherheit GmbH (Cyberagentur) initiierte Forschungsprogramm „Mobiler Quantencomputer“. Ziel des Programms ist es, mit Blick auf Anwendungsszenarien in den Bereichen Sicherheit und Verteidigung, die Aspekte Ortsunabhängigkeit und schnelle Verlegbarkeit zu erforschen. Parameter wie z.B. Größe, Gewicht oder Energieverbrauch sollen frühzeitig mitgedacht werden. Bislang spielten diese Faktoren in der Erforschung der Gesamtsysteme – inklusive der Peripheriegeräte – kaum eine Rolle. Die Herausforderung besteht darin, die Quantenprozessoren sowohl leistungsfähiger zu machen, als auch sie zugleich in ein mobiles, energieeffizientes und robustes System zu integrieren.

Im Sommer 2024 schloss die Cyberagentur Verträge mit führenden Technologieunternehmen zur Entwicklung solcher Systeme:

neQxt GmbH mit dem Projekt „maQue“: Die Firma neQxt, eine Ausgründung aus der Universität Mainz, erforscht auf Ionenfallen basierende, skalierbare und mobile Quantencomputer-Lösungen.
Oxford Ionics Limited & Infineon Technologies AG mit „Mini-Q“: Das Start-up Oxford Ionics aus Großbritannien erforscht zusammen mit dem Chip-Spezialisten Infineon einen mobilen Ionenfallen-Quantencomputer.
Quantum Brilliance GmbH & Parity Quantum Computing GmbH mit „Diamonds-MQC“: Das Australisch-Deutsche Unternehmen Quantum Brilliance erforscht zusammen mit dem Österreichischen Start-up Parity Quantum Computing mit Nutzung von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (sogenannten NV-Zentren) in Diamanten für mobile, kompakte Quantencomputer.

Seitenkanalresistenz in der Post-Quanten Kryptologie

Die Entwicklung rechenstarker Quantencomputer stellt die digitale Sicherheit vor eine große Herausforderung, da viele der derzeit verwendeten kryptographischen Verfahren von einem leistungsfähigen Quantencomputer gebrochen werden können. Deshalb werden Post-Quanten-Kryptographie (PQC) Verfahren, d.h. Verfahren, die Angriffe von klassischen Rechnern und von Quantencomputern standhalten, bereits untersucht und standardisiert. Trotzdem sind Schwachstellen in praxisrelevanten Implementierungen von Kryptosystemen eine zusätzliche Bedrohung: sogenannte Seitenkanalangriffe (side channel attacks, SCA) können selbst kryptographisch sicher modellierte Verfahren gefährden, indem sie zusätzliche Informationen wie Stromverbrauch, Zeitmessungen oder elektromagnetische Emissionen korrelieren, um geheime Daten zu rekonstruieren. Ziel des Cyberagentur-Forschungsprogramms „Seitenkanalresistenz in der Post-Quanten Kryptologie“ (SCA4PQC) ist die Entwicklung von PQC-Implementierungen, die gegen sämtliche gängigen Seitenkanalangriffe nachweislich widerstandsfähig sind. Interessierte Forschungseinrichtungen und Unternehmen können bis 05.05.2025 im Rahmen eines Wettbewerbs an der bereits laufenden Ausschreibung teilnehmen.

Seitenkanalangriffe mit Quantensensorik

Es ist auch möglich, Seitenkanalangriffe auf Mikrochips durchzuführen, indem physische Merkmale wie Stromverbrauch, elektromagnetische Strahlung oder die zeitliche Abfolge von Vorgängen analysiert werden. Dafür können verschiedene Arten von Sensoren verwendet werden. Das Cyberagentur-Forschungsprogramm „Seitenkanalangriffe mit Quantensensorik“ (SCA-QS) verfolgt das Ziel, solche Angriffe auf Mikrochips durch Quantensensoren aufzuzeigen und evaluiert dafür die Tauglichkeit unterschiedlicher Sensorik-Ansätze. Im Rahmen des Programms werden die Bereiche der klassischen Seitenkanalanalyse und der Quantensensorik, welche ansonsten keine Schnittmenge haben, miteinander in Austausch gebracht, um zusammen die Potenziale der Quantensensorik zu erforschen.

Neue Ära der Quantentechnologie

100 Jahre nach der formalen Etablierung der Quantenmechanik erleben wir eine neue Ära der Quantentechnologie. Deutschland und Europa spielen eine führende Rolle in der Erforschung und Entwicklung dieser bahnbrechenden Technologien. Der Weltquantentag 2025 bietet die Gelegenheit, die bisherigen Errungenschaften zu würdigen und die Weichen für die Zukunft zu stellen. Insbesondere das Forschungsprogramm „Mobiler Quantencomputer“ zeigt, wie Quantenforschung gezielt für praktische Anwendungen nutzbar gemacht wird.

Der Blick in die Zukunft zeigt: Die Quantenwissenschaft wird nicht nur unser Verständnis der Naturgesetze weiter vertiefen, sondern auch revolutionäre technologische Möglichkeiten für Wirtschaft und Sicherheit eröffnen.