Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) beabsichtigt, das Themenfeld „Enabling Technologies für resiliente F&E-Lieferketten in den Quantentechnologien“ auf der Grundlage des Forschungsprogramms „Quantensysteme – Spitzentechnologien entwickeln, Zukunft gestalten.“ (abrufbar unter www.quantentechnologien.de) zu fördern.
Quantentechnologien versprechen rasante Fortschritte im Computing, wie beispielsweise bei der Berechnung komplexer chemischer Prozesse, in der Logistik oder bei der Entwicklung neuartiger Medikamente. In der Sensorik werden neue Ansätze zur immer genaueren Messbarkeit von Zeit und Raum sowie elektrischer und magnetischer Felder genutzt.
Die Entwicklungen schreiten in den letzten Jahren enorm voran. Gerade bei der Skalierung von individuellen Laborexperimenten hin zu anwendungstauglichen Produkten zeigen sich jedoch auch große Herausforderungen. Diese sind einerseits technischer Natur. Die hohen Anforderungen bei der Präparation und Messung der Quantenzustände sowie die erforderliche Skalierbarkeit übersteigen den aktuellen Stand der Gerätetechnik (Enabling Technologies) zum Teil deutlich. Andererseits gibt es zunehmend geopolitische Herausforderungen, beispielsweise Handelsrestriktionen, die den Zugang zu Materialen, Vorprodukten, Komponenten und Enabling Technologies einschränken können.
Die technischen Herausforderungen ergeben sich daraus, dass für das Ansteuern und Auslesen der Quantenzustände Technologien aus mehreren Forschungsfeldern, wie zum Beispiel Laser, Optik, Elektronik, Kryo- und Vakuumtechnik, aufeinander abgestimmt sein müssen. Dies führt aktuell dazu, dass sowohl individuelle Anfertigungen aus wissenschaftlichen Laboren als auch kommerzielle Produkte an ihre Grenzen stoßen. Die technischen Limitierungen der verfügbaren Gerätetechnik für Quantencomputer und Quantenmesstechnik sind schon jetzt klar identifizierbar. Diese betreffen drei miteinander zusammenhängende Punkte:
- Technische Spezifikationen, beispielsweise die Geschwindigkeit oder das Signal-Rauschverhältnis von Ausleseelektronik, Schmalbandigkeit und Stabilität von Lichtquellen zur Anregung etc.
- Technisch-wirtschaftliche Skalierbarkeit; so ist es zwar prinzipiell möglich, durch immer größere Geräte (zum Beispiel Kryostate) oder eine immer größere Anzahl von individuellen Ansteuer- und Ausleseeinheiten mehr Quantenzustände gleichzeitig zu kontrollieren. Dies führt jedoch schnell zu Nichtwirtschaftlichkeit (hohen Kosten) oder wird so komplex, dass die Systeme technisch kaum noch beherrschbar sind.
- Zuverlässigkeit, Reproduzierbarkeit und Bedienbarkeit; so werden die größtenteils hochindividuellen Aufbauten in den Quantentechnologien mit steigender Komplexität immer anfälliger in Bezug auf diese Punkte.
Um diese Herausforderungen zu adressieren, gilt es, innovative technische Ansätze zu erforschen und Richtung Marktreife zu entwickeln.
Hinzu kommen die neuen geopolitischen Herausforderungen, die auch beim Zugang und der Verfügbarkeit von Enabling Technologies für das deutsche und europäische Quantentechnologie-Ökosystem zum Tragen kommen. Diese können zum Beispiel die Form von Lieferengpässen oder Handelsrestriktionen annehmen und alle Stufen der Lieferkette in Forschung und Entwicklung (F&E) für Quantentechnologien betreffen – von Materialien wie seltene Erden über Vorprodukte, Komponenten und Enabling Technologies bis hin zu Systemen. Vor diesem Hintergrund ist künftig daher auch bei den Enabling Technologies stärker auf resiliente Lieferketten im Sinne einer europäischen technologischen Souveränität zu achten. Für kritische Fälle muss nach geeigneten alternativen Verfahren und/oder alternativen Herstellern in Deutschland oder Europa gesucht werden.