Wie Messtechnik und Netzwerkverschlüsselung neue quantentechnologische Anwendungen ermöglichen

Milliarden an öffentlichen und privaten Investitionen fließen in Quantentechnologien. Schlag auf Schlag verkünden Medien neue Meilensteine. Visionäre Anwendungen in Sensorik, Computing und Kommunikation scheinen zum Greifen nah. Mit hochpräzisen Messtechnik-Lösungen befähigt Rohde & Schwarz Forschung, Industrie und öffentliche Institutionen, einzelne Quantensysteme gezielt zu kontrollieren. Und die Verschlüsselungsexperten des Technologiekonzerns bringen sichere Kommunikation auf Quantenbasis aus den Forschungslaboren raus in relevante Anwendungen.

Quantencomputing, Quantensensorik, Quantenkommunikation: Alle drei Technologien haben disruptives Potential. Allein das finanzielle Volumen zeichnet ein deutliches Bild von dem Innovationspotential, das den Quantentechnologien zugeschrieben wird. Neben dem weltweiten Engagement etablierter Risikokapitalfonds fließen Milliarden an öffentlichen Mitteln in nationale und transnationale Forschungsfonds.

Das deutsche Bundesministerium für Bildung und Forschung etwa hat einen Quantum Tech Fund mit 2,6 Milliarden Euro aufgesetzt. Die EU-Initiative Quantum Flagship ist mit einer Milliarde Euro ausgestattet. Der National Quantum Initiative Act der USA umfasst ein finanzielles Volumen von zwei Milliarden US-Dollar.

Quanteneffekte sind längst Teil unseres Alltags. In einem Smartphone etwa stecken mitunter mehrere hundert Milliarden Transistoren. Die meisten finden sich in den Flash-Speicherchips. Deren Funktion, Ströme und Spannungen zu steuern, beruht auf den quantenmechanischen Eigenschaften von Halbleitern. Solche Beispiele der ersten Generation nutzen natürliche Quanteneffekte aus. Die zweite Generation der Quantentechnologie hingegen gründet auf der Fähigkeit, einzelne Quantenzustände gezielt erzeugen und kontrollieren zu können.

Schnell, schneller, Quantencomputing

Binärcode regiert unsere Welt. Klassische Computer verarbeiten Informationen in Sequenzen von Null oder Eins, wahr oder falsch, aus oder an. Das gilt für alle Anwendungen, von der einfachen Textverarbeitung bis zur virtuellen Wirklichkeit im Metaverse. Allerdings wird die Welt, in der wir leben und arbeiten, zunehmend komplexer. Allein die Menge an Daten, die es zu verarbeiten gilt, nimmt rasant zu. Das jährliche digitale Datenaufkommen hat sich zwischen 2012 und 2020 verzehnfacht. Die Prognose für 2025 rechnet mit einer weiteren Verdreifachung. Das erwartete Volumen von mehr als 180 Zettabyte entspricht in einer etwas bekannteren Dimension 180 Trillionen Gigabyte.

Vor diesem Hintergrund stoßen klassische Rechner letztlich an zwei unüberwindbare Grenzen: Zeit und Komplexität. Je größer das Datenvolumen ist, desto mehr Zeit benötigt eine sequenzielle Verarbeitung. Je komplexer das Problem, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Binärcode aus zwei Zuständen ausreicht, um eine Lösung effizient zu berechnen. Quantencomputer haben das Potential, beide Herausforderungen durch die Gesetze der modernen Physik zu überwinden.

Hand in Hand statt Entweder-oder

Analog zu klassischen Bits bilden Quanten-Bits (Qubits) quantenmechanische Speichereinheiten. Neben Nullen und Einsen können sie auch sich überlagernde Mischzustände annehmen. Diese Gleichzeitigkeit ist ein fundamentaler technologischer Paradigmenwechsel. Traditionell sequentielle Rechenwege können jetzt gleichzeitig in Angriff genommen werden. Ergo: Ein Quantencomputer spart Zeit.

Die neue, quantenmechanische Arbeitsweise ermöglicht aber vor allem auch, neue, viel komplexere Fragestellungen zu bearbeiten. Letztlich handelt es sich nicht um eine Entweder-Oder-Entscheidung, entweder klassische Rechenleistung oder Quantencomputing. Vielmehr wird es darum gehen, vorhandene Systeme und Quantensysteme je nach Aufgabe sinnvoll zu integrieren.

Physik versus Logik

In der Welt der Quanten kann ein Teilchen an zwei Orten sein. Erst wenn man es beobachtet, zum Beispiel durch eine Messung, wird sein Ort auf eine der beiden Möglichkeiten eingeschränkt. Einen eindeutigen Ort bekommt es erst, wenn man es beobachtet. Die ungewöhnlichen Eigenschaften bedingen gleichzeitig ihre extreme Störanfälligkeit. Statt die teilweise stark fehlerbehafteten physikalischen Qubits zu verwenden, verknüpft man deshalb mehrere von ihnen zu einem logischen Qubit. Die Herausforderung: Um praxisnahe Probleme wie das der Proteinfaltung zu lösen, werden Quantensysteme mit bis zu einer Million logischen Qubits vorausgesetzt. Ein logisches Qubit wiederum besteht aus bis zu 100 physikalische Qubits. Die aktuell höchste Prozessorleistung liegt jedoch erst bei 127 physikalischen Qubits.

Zurich Instruments ist das jüngste Mitglied der Rohde & Schwarz-Konzernfamilie. Insbesondere der Messtechnikmarkt für Quantencomputing birgt für beide Unternehmen ein erhebliches Potenzial. Betrieb und Wartung von Quantencomputern erfordern eine Vielzahl an spezifischen Messlösungen. Denn um Quantenzustände gezielt zu erzeugen und auszulesen, müssen Hochfrequenz-Signale in extrem engen Toleranzen erzeugt und erfasst werden. Quantencomputer-Kontrollsysteme sind Teil des Portfolios.

Sicher, sicherer, Quantenkommunikation

Quantencomputer versprechen, die Grenzen der Recheneffizienz zu verschieben. Das birgt Herausforderungen. Betroffen davon ist der Bereich der sicheren Kommunikation. Die Büchse der Pandora begann sich bereits Anfang der 1990er-Jahre zu öffnen. Damals wurden erste Algorithmen entworfen, mit denen entsprechend leistungsfähige Rechner auf Quantenbasis klassische Kryptoalgorithmen brechen könnten.

Mittlerweile sind alternative Verschlüsselungsmethoden in den Fokus gerückt. Im Wesentlichen sind dabei zwei Ansätze von Bedeutung. Einer ist die sogenannte Post-Quanten-Kryptografie. Dabei kommen ganz klassische Verschlüsselungsmethoden zum Einsatz – mit dem Unterschied, dass sie selbst Angriffe von Quantencomputern unbeschadet überstehen sollen. Die verwendeten Algorithmen beruhen auf theoretischen Annahmen, für die bislang weder auf klassischen noch auf Quantenrechnern effektive Angriffe bekannt sind.

Ein anderer Ansatz betrifft die sogenannte Quantum-Key-Distribution, kurz QKD. Das deutsche Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) und das US-amerikanische Nationale Institut für Standards und Technologie (NIST) zählen zu den Innovationstreibern. Denn in einer zunehmend digitalisierten Welt sind privatwirtschaftliche und in besonderer Weise auch hoheitliche Kunden auf vertrauenswürdige IT-Sicherheitslösungen angewiesen. Sichere Kommunikationsnetzwerke haben in modernen Informationsgesellschaften den Stellenwert einer kritischen Infrastruktur.

Die neuartigen Lösungen verlagern den Schwerpunkt der Kryptologie. Klassische und ebenso die neueren Post-Quanten-Verfahren beruhen auf mathematischen Annahmen, also auf der Überlegung, dass sich bestimmte Aufgabenstellungen nicht effizient genug berechnen lassen. Quantum-Key-Distribution setzt auf physikalische Prinzipien.

Die Entwicklung erster QKD-Geräte war getrieben von wissenschaftlichen Arbeitsgruppen der Physik. Seit einigen Jahren schreitet die Kommerzialisierung voran. Rohde & Schwarz Cybersecurity bringt deshalb sein umfassendes Know-how rund um Sicherheitslösungen und seine Erfahrung im Bau und in der Implementierung sicherer Geräte und Systeme in zahlreiche Forschungsprojekte aktiv ein.

Innovation durch Kollaboration

Neben der rein technischen Entwicklung spielt der Austausch mit Kunden und die Beteiligung in Forschungs- und Industriegremien eine wichtige Rolle. Rohde & Schwarz hat sich deshalb früh in den entstehenden Netzwerken engagiert. Eine Auswahl: