Eine gelungene Premiere in der Welt der Quantenphotonik

Photonische Quantentechnologien gelten als Schlüsseltechnologie für die Welt von morgen – etwa für die Quantenkryptografie, für instrumentelle Messtechnik oder auch für das Quantencomputing. „Quantentechnologische Systeme und Photonik eröffnen gegenwärtig ein revolutionäres Innovationspotenzial in der angewandten Forschung und zunehmend auch in industriellen Anwendungen“, betonte Michael Kynast, Geschäftsführer der Messe Erfurt GmbH, bei der Eröffnung des Fachkongresses. Aufgrund dieser hohen Bedeutung zielte die neue Fachmesse „Quantum Photonics“ darauf ab, an den zwei Messetagen die wesentlichen Akteure im Feld der Quantenphotonik miteinander zu vernetzen und ins Gespräch zu bringen. Sponsor und Unterstützer des Fachkongresses war die Thüringer Aufbaubank.

Mario Suckert, Staatssekretär im Ministerium für Wirtschaft, Landwirtschaft und Ländlichen Raum des Freistaats Thüringen, hob in seinem Grußwort die herausgehobene Stellung des Standorts Thüringen für die Quantentechnologien hervor: „Modernste Optikforschung und Industrie haben im Freistaat nicht nur eine lange Geschichte, sondern Thüringen ist zu einem international sichtbaren Standort der Photonik geworden.“ Nicht zuletzt durch öffentliche Mittel sei in den vergangenen Jahren ein Innovations-Ökosystem entstanden, das hochqualifizierte Fachkräfte ausbilde, internationale Kooperationen ermögliche und eine ausgeprägte Forschungsinfrastruktur mit weithin sichtbaren Leuchtturmprojekten bereitstelle. „Diese strukturbildende Politik des Freistaates ist bisher erfolgreich gewesen und wird es auch weiterhin sein“, zeigte sich Suckert überzeugt. „In diesem Licht bietet Thüringen einer Veranstaltung wie der Quantum Photonics ein natürliches Habitat.“

Dass Thüringen die Wiege der modernen Optik sei, erwähnte auch Prof. Dr. Andreas Tünnermann, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF sowie des Instituts für Angewandte Physik der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Globale Firmen wie Zeiss und Schott haben den Grundstein der Photonikindustrie gelegt. „Heute ist die Photonik eine Schlüsseltechnologie, die in Bereichen wie Informationstechnologie, Medizinphysik und der Fertigung genutzt wird und die Grundlagenforschung in Astrophysik, Gravitationswellenastronomie oder Klimaphysik vorantreibt“, so Tünnermann. In der Region haben sich etwa 180 Firmen mit insgesamt rund 18.000 Mitarbeitern angesiedelt. „Mit dieser Konferenz wollen wir Brücken bauen zwischen den Photonik- und Quantencommunities und eine engere Kooperation zwischen diesen Feldern fördern, um die Vorteile der Quantenphysik für wichtige Bereiche unserer Gesellschaft zu erschließen.“

Gut besuchte Fachausstellung

Parallel präsentierten namhafte Unternehmen in der Fachausstellung ihre innovativen Produkte, um mit ihren Anwenderinnen und Anwendern, aber auch mit den Vertretern der anderen Aussteller ins Gespräch zu kommen. Zu den Ausstellern zählte unter anderem das internationale Unternehmen Hamamatsu Photonics, das Technologien rund um Licht entwickelt und insgesamt 14.000 Produkte im Portfolio hat. Kerngeschäft sind hochempfindliche Photodetektoren, die unter anderem in den Detektoren des Large Hadron Collider verbaut sind oder im Kamiokande-Experiment. Auch in der Quantenphysik geht es darum, sehr schwache Lichtintensitäten zu registrieren, daher war Hamamatsu auf der Quantum Photonics vertreten. „Wir zeigen hier die Detektoren, die darauf spezialisiert sind, einzelne Photonen voneinander zu unterscheiden.“

Das Unternehmen X-Fab ist ein Halbleiterhersteller mit Firmensitz in Erfurt und weiteren Standorten in Texas (USA), Frankreich und Malaysia. X-Fab bietet unter anderem siliziumbasierte Photonik an und ist Spezialist für den Mikro-Transferdruck – eine Stempeltechnologie, mit der sich Chiplets von einem Wafer abnehmen und in photonische Plattformen integrieren lassen. Anwendungen finden sich in Datenkommunikation oder auch Sensorapplikationen. „Als lokaler Player wollten wir nicht die Gelegenheit verpassen, bei dieser neuen Messe dabei zu sein“, betont Dr. Tino Jäger von X-Fab.

Die Lasos Lasertechnik GmbH zeigte eine bunte Palette von Lasern. Der Laserhersteller aus Jena bietet verschiedene Festkörperlaser an, die auch für Quantenanwendungen interessant sind, etwa um Quantenpaare zu erzeugen. Das Feld der Quantenphotonik sei noch so jung und dynamisch, dass noch nicht abzusehen sei, wohin es sich entwickeln würde. „Aber wir möchten von Anfang an dabei sein“, bekräftigte der Firmenvertreter von Lasos.

Als ein Partner der neuen Messe war auch das Fraunhofer IOF mit einem großen Stand und verschiedenen Exponaten vertreten, etwa aus dem Bereich Quantencomputing. Das Fraunhofer IOF war in den vergangenen Jahren auch schon auf der parallel stattfindenden Leitmesse der Additive Manufacturing-Industrie rapid.tech 3D vertreten. Ziel auf der Quantum Photonics sei nun insbesondere, sich mit den anderen Playern zu vernetzen und auch neue Partner der QuNet-Initiative kennenzulernen.

Mit den Gesprächen zeigten sich die Aussteller bereits am Ende des ersten Messetages durchweg sehr zufrieden. Vor Ort waren Lasos Lasertechnik GmbH, Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF, HAMAMATSU PHOTONICS Deutschland GmbH, fiberware, AIM Micro Systems GmbH, nanoplus Nanosystems and Technologies GmbH, Abbe Center of Photonics, QuNET-Initiative, CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH, SmarAct GmbH, X-Fab Global Services GmbH, Quantum Optics Jena GmbH, LAYERTEC GmbH, Thüringer Aufbaubank, EIN Quantum NRW c/o NMWP Management GmbH und NEXT robotics GmbH & Co. KG.

Hochrangiger Kongress

Vier gesellschaftlich relevante Bereiche bildeten daher den Schwerpunkt für das hochrangige Kongressprogramm. Die themenübergreifende Einleitung gab Professor Jaw-Shen Tsai von der Tokyo University of Science zum Thema „Superconducting Kerr Parametric Oscillators based Bosonic Qubit – A Practical Quantum Information Processing Platform“. Er gab eine beeindruckende Einführung zur Entwicklung supraleitender Systeme, in der er sein eigenes Forschungsprogramm der letzten fast drei Jahrzehnte nachzeichnete, aber auch auf seine aktuellen Arbeiten verwies. Im Anschluss daran bildete das Thema „Quantum for Cyber Security” den ersten fachlichen Schwerpunkt.

Zunächst gab Dr. Oliver Muth einen Einblick über die Nutzung von Quantentechnologien bei der Bundesdruckerei mit dem Ziel, unsere Daten sicher zu machen, und zwar jetzt und auch in der Zukunft. So arbeite die Bundesdruckerei in verschiedenen Initiativen mit, etwa Qu-Gov, um entsprechende Fachkompetenzen in den Bereichen Sicherheit, Quantenanalytik und Quantensouveränität aufzubauen. „Quantencomputer werden unsere Sicherheit beeinflussen, darauf müssen wir uns vorbereiten“, bekräftigte er. Daten und Identitäten müssen auch im Post-Quantenalter geschützt bleiben. So stellte er etwa die Demonstration eines elektronischen Reisepasses mit PQC-Schutz (Post-Quantum Cryptography) vor.

Ein im wörtlichen Sinne Schlüsselelement für die Cyber Security ist der Quanten-Schlüssel-Austausch (Quantum Key Distribution, QKD), der spezialisierte Hardware wie Einzelphotonenquellen und -detektoren erfordert. Den Status von QKD-Testbeds in Thüringen, Deutschland und Europa präsentierte Prof. Dr. Thomas Hühn von der Hochschule Nordhausen, der die deutsche Zuarbeit für die europäische Initiative „European Quantum Communication Infrastructure“ leitet. Mit seinem Team plant und erforscht er QKD-Systeme für einzelne Photonen und verschränkte Photonenpaare und zielt darauf ab, diese Systeme in bestehende Netze zu integrieren. Er ging in seinem Vortrag unter anderem auf die Realisierung einer sicheren Verbindung zwischen Datenzentren in Frankfurt und Berlin sowie zwischen Berlin und München ein sowie auf die Nutzung von QKD für die Telemedizin. Dem Thema der quantensicheren Netzwerke widmete sich auch Prof. Dr. Christoph Marquardt vom Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts.

Einen eindringlichen Vortrag zu der Frage, wie Quantentechnologien die Datensicherheit neudefinieren, hielt Dr. Thomas Lebeth von der dacoso GmbH, einem IT-Service-Provider für Netzwerke und Datensicherheit. Er betonte, dass Quantencomputer sehr große Chancen eröffnen, bislang ungelöste Probleme zu adressieren, dass sie zugleich aber auch bestehende Sicherheitskonzepte gefährden. „Überall, wo Daten in fünf oder mehr Jahren noch eine Relevanz haben, für einen finanziellen Schaden sorgen, Menschenleben bedrohen oder staatliche Interesse eingeschränkt werden, müssen Lösungen schon heute quantensicher ausgelegt werden“, lautete sein Fazit.

Eine Initiative für Quantensicherheit

Am ersten Kongresstag war die QuNet-Initiative auf der Panel Stage ein wichtiges Schwerpunktthema, das in verschiedenen kürzeren Vorträgen vorgestellt wurde. Dabei handelt es sich um eine nationale Initiative für IT-Sicherheit mittels Quantum Key Distribution (QKD), die 2019 mit fünf Partnern gestartet ist und vom BMBF gefördert wird. Bei den fünf Kerninstituten handelt es sich um das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, das Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut HHI, das Institut für Kommunikation und Navigation des DLR, die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und das Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen. Ziel ist es, die Grundlage zu schaffen für sichere und robuste IT-Netze, die bereits heute gegen Cyberangriffe von morgen gewappnet sind. Inzwischen zählen 47 Partner zu dem Netzwerk, wie Prof. Dr. Fabian Steinlechner vom Fraunhofer IOF in seinem Überblick über die QuNet-Initiative erklärte.

In der Initiative geht es unter anderem darum, realistische Anwendungsszenarien zu entwickeln mit dem Fokus auf staatliche Kommunikation, den Transfer in die Industrie zu ermöglichen und die Zertifizierung der QKD-Technologie vorzubereiten. In der ersten Phase gelang es, einen Quantenschlüsselaustausch in Bonn zu demonstrieren, um etwa sichere Videokonferenzen durchzuführen.

Wie wichtig die Zertifizierung von QKD-Netzwerken ist, betonten auch Clemens Epple und Dr. Maja Kierdorf von der BWI GmbH, dem IT-Systemdienstleister der Bundeswehr. Die BWI GmbH betreut unter anderem das deutschlandweite Glasfasernetzwerk für die Bundeswehr. „Wir sind damit einer der Endanwender der Quantum-Key-Distribution, zumindest hoffen wir, dass wir das in Zukunft sein werden“, so Maja Kierdorf. Quantensichere Lösungen seien über zwei Wege möglich – Post-Quantum Cryptography (PQC) sei die Software-Lösung, Quantum Key Distribution (QKD) die Hardware-Lösung. PQC biete Sicherheit durch neue mathematische Algorithmen und sei bereits in der Praxis angekommen, doch die Kryptoanalyse könne sich weiterentwickeln. Daher sei die QKD vielversprechend, auch wenn sie neue Hardware benötige, noch nicht ausgereift sei und bislang die Authentisierungs- und Signaturverfahren fehlten.

In einer QKD-Roadmap zeigte Maja Kierdorf auf, wo man bei der QKD derzeit stehe und was das Ziel für die kommenden zehn Jahre und darüber hinaus ist. An einem Beispiel verdeutlichte sie, was es in der Praxis heißt, QKD in einem realen Glasfasernetz zu implementieren. Klar wurde: Es sind noch zahlreiche Herausforderungen zu lösen, aber man muss es jetzt tun, weil sich das Quantencomputing schnell weiterentwickelt.

Quanten treffen künstliche Intelligenz

Neben Quantentechnologien ist auch Künstliche Intelligenz ein hochaktuelles Thema. Wie beide sich gegenseitig befruchten können, stand am Nachmittag des ersten Tages im Fokus. Dr. Mario Krenn vom Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts beleuchtete den Weg zu einer „künstlichen Muse“ für neue Ideen in der Physik. So fand die KI auf Basis einer großen Datenbank von wissenschaftlichen Publikationen bessere und auch völlig neuartige Designs etwa für einen Gravitationswellendetektor. „Wir verstehen noch nicht, wie die Maschine auf diese Lösungen kommt“, so Krenn. „Aber hinter solchen neuartigen Lösungen muss ein interessanter physikalischer Effekt stecken!“

Einen Überblick über den Stand des Quantencomputings und den Weg zum „Quantum Advantage“ gab Dr. Jan-Rainer Lahmann von IBM. Laut der IBM-Roadmap könnte im kommenden Jahr ein solcher Quanten Advantage gezeigt werden, also ein Vorteil gegenüber dem klassischen Computing bei einem relevanten Problem – vermutlich aber noch bei einem Problem aus der Wissenschaft, nicht aus der Industrie, schränkte Lahmann ein. Die möglichen Anwendungen des Quantencomputings sind breit und umfassen etwa die Materialentwicklung, Erforschung neuer Medikamente, die Transformation des Stromnetzes oder die Optimierung von Handelswegen.

Dr. Florentin Reiter vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF legte mit seinem Vortrag „From Quantum Computers to Higgs Bosons and back“ den Fokus auf maschinelles Lernen. Dieses nutzt er mit seinem Team, um Quantencomputer-Plattformen zu charakterisieren und zu verstehen. Er erläuterte die Fortschritte bei Lernmodellen für neueste Quantenhardware und identifizierte praktische Anwendungsfälle. Den launigen Schlusspunkt des Nachmittags setzte Prof. Dr. Jens Eisert von der FU Berlin mit seinem Vortrag „Quo vadis, quantum machine learning“, in welchem er zunächst feststellte, dass Künstliche Intelligenz bereits allgegenwärtig ist und dann der Frage nachging, ob Quantencomputer bei sinnvollen Aufgaben des maschinellen Lernens helfen können. Seine klare Antwort: „Definitely maybe!“

Von Instrumentierung und Mobilität

Am zweiten Konferenztag standen die Themen „Quantum for Instrumentation and Measurement“ sowie „Quantum for Mobility“ auf dem Programm. Fachleute von Institutionen wie dem Fraunhofer IOF, X-Fab, Noisy Labs, vom Hasso-Plattner-Institut, vom CiS oder von Elmos Semiconductor SE lockten hierbei zahlreiche Messebesucher in den Dome zu ihren Vorträgen. In der ersten Keynote umriss Dr. Sebastian Schmitt vom Fraunhofer IOF die Herausforderungen und das Marktpotenzial der Quantenoptik im Chip-Maßstab. Die zweite Keynote des Tages hielt Prof. Dr. Andreas Polze vom Hasso-Plattner-Institut mit einem Vortrag zum Thema „SQuIRRL – Secure Quantum Infrastructure for Road, Rail and Flight“.

www.quantum-photonics.de