Den langen Wettlauf der Quantentechnologien mitgestalten

Quanten-Computing (QC), eine der revolutionärsten Technologien unserer Zeit, ist unserer jüngsten Analyse zufolge etwa ein Jahrzehnt von einer breiten kommerziellen Anwendung entfernt. Weniger bekannt, aber ebenfalls wichtig, sind zwei verwandte Technologien, die viel früher verfügbar werden könnten: Quantensensorik (QS) und Quantenkommunikation (QComm).

Alle Quantensysteme sind unglaublich komplex, aber ihre Vorteile liegen auf der Hand. Die Qualitätskontrolle verkürzt in vielen Fällen die Bearbeitungszeit exponentiell und ermöglicht so die Lösung bisher unlösbarer Probleme. QS ermöglicht genauere Messungen und könnte eine bessere Zugänglichkeit als bestehende Sensoren bieten (z. B. durch Geräteminiaturisierung). QComm wird starke Verschlüsselungsprotokolle ermöglichen, die die Sicherheit sensibler Informationen erheblich erhöhen könnten, und es wird auch einige kritische Quantencomputerfunktionen ermöglichen (weitere Informationen zu den Quantenphänomenen, die QC, QS und QComm zugrunde liegen, finden Sie in der Seitenleiste „Der Technologiesprung“). ).

Mit Quantentechnologien Informationen werden in Quantenbits (Qubits) kodiert. Während die im klassischen Rechnen verwendeten Bits binär sind und den Wert 0 oder 1 haben, können Qubits die Werte 0, 1 oder eine Kombination aus beiden annehmen. Qubits erhalten ihre einzigartige Fähigkeit, mehrere Werte anzunehmen, weil sie auf dem als Superposition bekannten Quantenphänomen beruhen – der Kombination zweier unterschiedlicher physikalischer Phänomene derselben Art (z. B. Spin oder Wellenlänge), sodass sie als Teil desselben Ereignisses nebeneinander existieren. Superposition ermöglicht neue Rechenalgorithmen, die die Rechenzeit massiv verkürzen können. Um einen Eindruck von der Verbesserung zu vermitteln: Im Jahr 2020 nutzte eine chinesische Forschungsgruppe Quantencomputing, um eine Lösung zu finden, deren Entwicklung bei einem klassischen Supercomputer 2,5 Milliarden Jahre gedauert hätte.

Da Quantensysteme sehr empfindlich auf Veränderungen in der Umgebung reagieren, könnten Quantensensoren möglicherweise geringfügige Veränderungen in der Umgebung erkennen, die für gewöhnliche Sensoren unerreichbar sind. Bei der Quantenkommunikation kommunizieren Qubits zwischen entfernten Orten und ermöglichen so paralleles Quantencomputing. Sie ermöglichen auch eine sichere Kommunikation durch ein Quantenphänomen namens Verschränkung – ein Prozess, bei dem sich die Messung eines Qubits sofort auf ein anderes auswirkt, selbst wenn sie weit voneinander entfernt sind. Durch die Verschränkung wird sichergestellt, dass Informationen beim Übergang von einem Qubit zum anderen nicht abgefangen werden können. Während die Verschränkung auch in der Quantensensorik eingesetzt werden kann, ist sie für die Technologie weniger grundlegend und einige Quantensensoren basieren nicht auf diesem Prinzip.

Mit ihren einzigartigen Fähigkeiten könnten QC, QS und QComm mehrere Märkte verändern, darunter Hochleistungsrechnen, Navigation, Pharmazeutika und medizinische Bildgebung. Viele Tech-Giganten und Start-ups haben bereits erheblich in Quantentechnologien investiert, wobei sich die bestätigten und angekündigten Deals allein für 2021 auf rund 2,1 Milliarden US-Dollar belaufen. Der Großteil der Mittel fließt in QC-Initiativen, aber ein kürzlich abgeschlossener Deal im dreistelligen Millionenbereich für QComm, an dem eine spezielle Akquisitionsgesellschaft beteiligt ist, zeigt, dass die anderen Quantentechnologien allmählich auf großes Interesse stoßen. Wir gehen davon aus, dass QComm und QS in Zukunft noch mehr Mittel anziehen werden, obwohl es unwahrscheinlich ist, dass sie das gleiche Niveau wie QC erreichen, da die Märkte für diese Technologien kleiner sind.

Der Wettlauf um die Führung der QS- und QComm-Sektoren wird sich bald verschärfen, da immer mehr Wettbewerber ihre Wetten abschließen. Auch wenn weiterhin große Unsicherheit besteht, werden am wahrscheinlichsten diejenigen Unternehmen durchhalten, die Quantentechnologien in reale Anwendungen mit breiter Anziehungskraft umsetzen. Wie bei jeder neuen Technologie kann es jedoch für Anleger schwierig sein, die Technologien zu identifizieren, die in diese Kategorie fallen. Vielversprechende Prototypen können im Laufe der Forschung und Entwicklung auf technische Probleme stoßen oder die Nachfrage nach neuen Produkten kann hinter den ursprünglichen Erwartungen zurückbleiben. Für Investoren ist auch das Timing ein wichtiger Aspekt, da sie entscheiden müssen, ob sie ihre Wetten platzieren sollten, bevor eine Technologie ausgereift ist oder nachdem sie kommerzialisiert wurde.

Investitionen in Quantentechnologien bergen zwar ein gewisses Risiko, die potenziellen Renditen sind jedoch hoch. Bis 2030 könnten allein QS und QComm einen Umsatz von 13 Milliarden US-Dollar erwirtschaften, und dieser Betrag könnte in späteren Jahren erheblich steigen. Um den Anlegern bei der Planung ihres weiteren Wegs mehr Klarheit zu verschaffen, haben wir die Marktlandschaft für QS und QComm untersucht und dabei sowohl Chancen als auch Herausforderungen untersucht. Wir haben auch kritische Fragen zu Technologie, Risiko und Marktnachfrage identifiziert, die Anleger bei der Mittelallokation berücksichtigen können.

QC, QS und QComm können unabhängig voneinander oder in Kombination verwendet werden (Anlage 1). Wenn QC kommerziell verfügbar wird, könnte dies die Marktnachfrage nach QComm und möglicherweise auch nach QS steigern. Mit QComm lassen sich beispielsweise Quantencomputer vernetzen, um durch Parallelverarbeitung noch mehr Rechenleistung zu erzielen.

Quantensimulation, eine weitere Quantentechnologie, wird manchmal als Spezialquantencomputing bezeichnet. Dabei geht es um die Simulation von Aktivitäten und deren Folgeergebnissen innerhalb physikalischer Systeme. Quantensimulation könnte in Forschungsumgebungen Anwendung finden, beispielsweise zur Lösung mathematischer Optimierungsprobleme. Die zugrunde liegende Technologie zur Durchführung von Quantensimulationen ist mittlerweile verfügbar, doch Experten sind sich nicht einig, ob die heute möglichen Simulationen einen Quantenvorteil bieten.

Quantensensoren können verschiedene physikalische Eigenschaften, einschließlich Temperatur, Magnetfeld und Rotation, mit äußerster Empfindlichkeit messen. Ihre Präzision resultiert aus der Empfindlichkeit von Quantenzuständen gegenüber geringfügigen Änderungen in der Umgebung. Einige Quantensensoren können viel kleinere Mengen messen als aktuelle Sensoren, während andere eine bessere Auflösung bei der Bildaufnahme bieten. Sobald Quantensensoren optimiert und verkleinert sind, können sie auch Daten messen, die von aktuellen Sensoren nicht erfasst werden können, weil sie entweder zu groß sind, um an den gewünschten Ort zu passen, oder weil ihnen die erforderliche Funktionalität fehlt.

Es gibt zwei Generationen von Quantensensoren. Das erste, zu dem Geräte wie Mikrowellen-Atomuhren und supraleitende Quanteninterferenzgeräte (SQUIDs) gehören, ist seit Jahrzehnten verfügbar. Die zweite Generation, die Schwerkraftsensoren, Stickstoff-Leerstellen-Sensoren (NV) und andere Innovationen umfasst, ist gerade im Entstehen begriffen. QS-Anwendungen der zweiten Generation lassen sich in mindestens acht Anwendungen unterteilen, die sich hinsichtlich Reifegrad und Marktpotenzial unterscheiden (Abbildung 2). Zu den wettbewerbsfähigsten QS-Anwendungen werden diejenigen gehören, für die es keine technologische Alternative gibt. QS-Anwendungen gewinnen auch eher an Bedeutung, wenn sie eine höhere Empfindlichkeit als aktuelle Sensoren zu einem vergleichbaren oder niedrigeren Preis als alternative Technologien bieten.

Jede QS-Anwendung der zweiten Generation stellt unterschiedliche technische Anforderungen und einige müssen größere Entwicklungshürden überwinden als andere. Sie unterscheiden sich auch hinsichtlich der Vorteile, die sie vermitteln. Im Bereich der Spektroskopie könnten Quantensensoren beispielsweise im Vergleich zu den heute verfügbaren Elektronenmikroskopen genauere Bilder von molekularen Strukturen, beispielsweise Proteinen, liefern. QS-Anwendungen können auch Bilder auf Atomebene erfassen, wo Artefakte das Bild weniger wahrscheinlich verdecken. QS könnte auch zur Steigerung der Nachhaltigkeit beitragen, da es die Überwachung der CO2-Emissionen durch höhere Präzision und örtliche Messungen ermöglicht.1Derzeit können CO2-Emissionen nur mit einer Genauigkeit von bis zu einem bis drei Kilometern überwacht werden. Darüber hinaus kann der Energieverbrauch durch die Integration von QS in Smart Buildings verfolgt und optimiert werden.

QComm ist darauf ausgelegt, kodierte Quanteninformationen zwischen entfernten Standorten über ein Quantenkommunikationsnetzwerk zu übertragen. Es ermöglicht folgende Funktionen:

Das ultimative Ziel von QComm ist die Etablierung eines Quanteninternets. Die meisten Gebiete werden auf Glasfasernetze angewiesen sein, die zwar zuverlässig, aber teuer sind, auch wenn Anbieter auf bestehenden Glasfasernetzen aufbauen können. Die Übertragung von Quanteninformationen über kurze Distanzen (weniger als 500 Meter) ist bereits über Glasfasernetze möglich. Eine Übertragung über größere Entfernungen wird erst dann möglich sein, wenn Forscher voll funktionsfähige Quantenrepeater entwickeln. Dabei handelt es sich um Geräte, die Signale verstärken und den Informationsverlust während der Übertragung reduzieren. Wir gehen davon aus, dass solche Quantenrepeater im Laufe des nächsten Jahrzehnts verfügbar sein werden.

Für einige Langstreckenkommunikationen, beispielsweise Übertragungen über den Ozean, kann QComm auf Satelliten zurückgreifen, um die Übertragung zu erleichtern. Allerdings sind Satelliten nicht für alle Standorte geeignet, beispielsweise für Orte mit extremen Wetterbedingungen. Auch die Schaffung von Satellitennetzwerken und der damit verbundenen Bodeninfrastruktur, die für QComm erforderlich ist, stellt viele Herausforderungen dar, die die Forscher noch zu lösen versuchen.

Wir haben die QS- und QComm-Märkte entlang der Wertschöpfungskette in Segmente unterteilt, um ihren aktuellen Reifegrad und potenzielle Wachstumschancen zu bewerten. Beide Märkte haben drei Segmente gemeinsam:

Neben Komponenten, Hardware und Software umfasst die QComm-Wertschöpfungskette auch zwei weitere Segmente: Quantennetzwerkbetrieb und Quantendienste. Netzbetreiber, von denen es mittlerweile relativ wenige gibt, stellen und unterhalten großflächige Quantennetze inklusive der notwendigen Glasfaserkabel. Der Bedarf an ihren Diensten wird weitgehend begrenzt sein, bis die QComm-Hardware ausgereift ist. Im Rahmen von Quantendiensten beraten mittlerweile verschiedene Unternehmen zu den technologischen und geschäftlichen Aspekten von QComm.

Einige Organisationen haben bereits damit begonnen, Quantenkryptographie einzusetzen, und weitere könnten folgen, insbesondere in Branchen, in denen sichere Kommunikation von größter Bedeutung ist.

Insgesamt sind die Zeitpläne für die Entwicklung und Vermarktung von QS- und QComm-Produkten schwer vorherzusagen, da der Fortschritt von wissenschaftlichen Durchbrüchen abhängt. Einige Quantensensoren funktionieren beispielsweise nur schwer außerhalb der geschützten Laborumgebung, weil sie so empfindlich sind. Eine breite Akzeptanz hängt auch von der Geräteoptimierung ab, insbesondere hinsichtlich Größe und Gewicht. Auch die Reduzierung der Kosten ist von entscheidender Bedeutung, da potenzielle Käufer trotz der höheren Genauigkeit möglicherweise keinen höheren Preis für Quantentechnologien zahlen möchten, wenn alternative Lösungen verfügbar sind.

Obwohl noch viele Hürden vor uns liegen, könnten Quantenlösungen im nächsten Jahrzehnt erhebliche Einnahmen generieren. Sie könnten sogar einen Mehrwert liefern, bevor die Geräteoptimierung erfolgt, da Forscher möglicherweise viele Zwischenverwendungen für derzeit verfügbare Lösungen entdecken. QComm könnte beispielsweise eine sichere Internetverbindung zwischen bestimmten Städten bereitstellen, während später umfassendere Verbindungen entstehen. Mit fortschreitender Technologie können neue Anwendungsfälle entstehen, beispielsweise ein Finanzsystem, das auf quantensicheren Währungen basiert. Da Quantenzustände nicht kopiert werden können, könnten Hacker kein Falschgeld herstellen und das System wäre äußerst sicher.

Wir haben versucht herauszufinden, wie sich der Markt für QS und QComm entwickeln könnte, und haben dabei einen Zeithorizont von zehn Jahren betrachtet. Für QS konzentrierte sich unsere Analyse auf sechs der vielversprechendsten Anwendungsfälle: Bioimaging, Spektroskopie, Navigation, Umweltüberwachung, geografische Vermessung und grundlegende wissenschaftliche Anwendungen. Allein in diesen Bereichen schätzen wir, dass QS bis 2030 einen Umsatz von mindestens 5 Milliarden US-Dollar generieren könnte.2Für die sechs von uns untersuchten Anwendungsfälle gingen wir davon aus, dass diejenigen mit dem größten Potenzial jährlich mindestens 1 Milliarde US-Dollar Umsatz generieren würden, während diejenigen mit weniger Das Potenzial würde etwa 500 Millionen US-Dollar generieren. Diese Zahl ist zwar konservativ, aber im Vergleich zu den Einnahmen, die auf dem viel größeren QC-Markt erwartet werden, immer noch relativ niedrig. Obwohl die Kundenakzeptanz möglicherweise langsam ist, könnte QS aufgrund seiner höheren Genauigkeit und geringeren Größe die klassischen Technologien letztendlich ersetzen.

Der Umsatz wird zum Teil von der Reife der Technologie abhängen. Während sich viele Quantensensoren im Prototypen- oder Proof-of-Concept-Stadium befinden, sind einige für die Umwelt- und Infrastrukturüberwachung für verschiedene Zwecke kommerziell erhältlich, darunter die Leckerkennung in unterirdischen Rohren und die Vulkanüberwachung. QS-Anwendungen für grundlagenwissenschaftliche Anwendungen, Bioimaging und Navigation sind relativ weit fortgeschritten, und wir gehen davon aus, dass sie im Laufe des nächsten Jahrzehnts kommerzialisiert und weit verbreitet werden.

Auch für QComm sind die Aussichten rosig, auch weil Quantencomputer in dieser Zeit voraussichtlich die klassischen Verschlüsselungsprotokolle durchbrechen werden. Wenn Forscher sich mit den technischen Problemen befassen, die eine weit verbreitete Nutzung einschränken, könnte QComm bis 2030 einen Umsatz von schätzungsweise 8 Milliarden US-Dollar erwirtschaften. Letztendlich wird der Aufstieg der Quantencomputer einen weiteren neuen Wertpool für QComm freisetzen, da diese Technologie sowohl für parallele als auch für blinde Quantencomputer unerlässlich ist Rechnen.

Obwohl weiterhin Unsicherheit über die zukünftigen QS- und QComm-Märkte besteht, gelten vier Grundüberzeugungen (Abbildung 4):

Für QS wird sich keine Technologie als dominant herausstellen, da die beste Lösung maßgeblich vom Anwendungsfall abhängt. Während neutrale Atome und supraleitende Schaltkreise mittlerweile am weitesten ausgereift sind, liegen Photonik und Spin-Qubits nicht weit dahinter, und die beiden verbleibenden Technologien könnten schnell aufholen. Es ist wahrscheinlich, dass einige der sechs Technologien nebeneinander existieren werden, obwohl einige in bestimmten Anwendungen weitaus dominanter sein werden als andere.

Die Einführung von Quantentechnologien wird je nach Reifegrad und Verbraucherinteresse unterschiedlich sein. In manchen Fällen kann es sein, dass eine Anwendung in einer Branche schnell Anklang findet, in anderen Branchen jedoch kaum Interesse weckt, weil die Prioritäten unterschiedlich sind. Beispielsweise können militärische Organisationen zunächst Navigationsanwendungen einführen, die Truppen bei der Erfüllung wichtiger Missionen unterstützen können. Andere Sektoren, in denen eine hochpräzise Navigation wichtig ist, wie etwa die automatisierte Landwirtschaft, die Schifffahrt und die Automobilindustrie, könnten dann folgen. Unabhängig von der Branche wird eine breite Einführung von QS-Anwendungen erst dann erfolgen, wenn die Beteiligten davon überzeugt sind, dass die Leistungsvorteile ihre höheren Kosten rechtfertigen. Beispielsweise können Wissenschaftler in Situationen, in denen eine geringere Genauigkeit akzeptabel ist, weiterhin Elektronenmikroskope anstelle von QS-Spektroskopieanwendungen verwenden.

Weitere Faktoren, die die Einführung von QS-Anwendungen beeinflussen könnten, sind Produkteigenschaften wie die einfache Reparatur und der Austausch. Beispielsweise könnten Unternehmen weltweit Sensoren auf Containerschiffen haben. Um diese Sensoren auszutauschen oder zu reparieren, benötigt das Unternehmen ein globales Netzwerk von Ingenieuren sowie Teile, die an allen relevanten Standorten leicht verfügbar sind.

Bei QComm wird die breite Akzeptanz von Secure Computing – der einzigen derzeit verfügbaren Anwendung – auch davon abhängen, ob die Kunden glauben, dass der erhöhte Schutz den Preis rechtfertigt. Hier spielt ein psychologischer Aspekt eine Rolle, da einige Kunden die Quantentechnologie möglicherweise als die einzig sichere Alternative betrachten, auch wenn andere Lösungen verfügbar sind. Wenn eine Bank beispielsweise damit wirbt, dass sie QKD zum Schutz von Konten einsetzt, könnten einige Kunden an ihren Dienstleistungen interessiert sein, obwohl ihre derzeitige Bank über extrem hohe Sicherheitsmaßnahmen verfügt. Und wenn QKD viele Kunden anzieht, könnten weitere Banken diese Technologie übernehmen. Wenn sich umgekehrt herausstellt, dass die meisten Kunden keine Bedenken hinsichtlich des QKD-Schutzes haben, könnte die Akzeptanz eingeschränkt sein.

Regulierungen könnten auch zu branchenübergreifenden Unterschieden bei der Einführung der Quantentechnologie führen. Beispielsweise müssen bei medizinischen Anwendungen möglicherweise große regulatorische Hürden überwunden werden, was dazu führt, dass Gesundheitsbehörden die Umsetzung verzögern. Auch wenn Navigationsanwendungen stark reguliert sind, stünden ihnen niedrigere regulatorische Hürden gegenüber, was zu einer schnelleren Verbreitung im Automobilbereich beitragen könnte.

Mit zunehmender Reife des Quantencomputings wird es QS und QComm nicht ersetzen. Stattdessen werden Synergien mit ihnen entstehen. Immer mehr Unternehmen werden sich mit QComm befassen, da es die Qualitätssicherung verbessern kann, was möglicherweise zu einer steigenden Nachfrage führt. Eine weitere – wenn auch höchst spekulative – Synergie könnte darin bestehen, Informationen von einem Quantensensor direkt an Quantencomputer zu senden. Wenn sich dieser Prozess als machbar erweist, könnte er große Engpässe für QC-Anwendungsfälle beseitigen, die künstliche Quantenintelligenz beinhalten.

Risikokapitalinvestitionen in Quantentechnologien nehmen zu. Viele Organisationen – darunter Regierungen und Unternehmen des Privatsektors – beginnen ebenfalls, QS- und QComm-Anwendungsfälle zu untersuchen, obwohl die Investitionen noch viel geringer sind.

Für Akteure der Quantentechnologie hängt der langfristige Erfolg von den Strategien ab, die sie jetzt entwickeln. Der erste Schritt besteht darin, die aktuellen Prototypen sorgfältig zu prüfen und zu ermitteln, welche davon reale Anwendungsfälle ermöglichen, die ein breites Spektrum potenzieller Kunden ansprechen. Ohne diese Sorgfalt könnte ihre Kapitalrendite begrenzt sein, selbst wenn die zugrunde liegende Technologie neue Wege beschreitet. Unternehmen sollten sich auch mit praktischen Fragen befassen, etwa dem Prozess, der erforderlich ist, um vom ersten Prototyp zur Großproduktion zu gelangen, oder den Partnerschaften, die Innovationen beschleunigen oder ihre bestehenden Produkte verbessern könnten. In einigen Fällen wenden sich Unternehmen aus verschiedenen Branchen möglicherweise an einen Akteur der Quantentechnologie, um ihm ein potenzielles Problem mitzuteilen, das sie lösen möchten, und solche Partnerschaften könnten für beide Seiten von Vorteil sein.

Für Akteure der Quantentechnologie bedeutet langfristiger Erfolg, dass sie ihre aktuellen Prototypen sorgfältig prüfen und bestimmen, welche davon reale Anwendungsfälle ermöglichen.

Führungskräfte aller Branchen und Führungskräfte großer Technologieunternehmen möchten möglicherweise Partnerschaften mit Quanten-Start-ups und kleinen bis mittleren Unternehmen eingehen, um reale Anwendungsfälle zu identifizieren und diese mit derzeit verfügbaren Quantentechnologielösungen anzugehen. Diese Partnerschaften könnten die wesentliche Entwicklung von End-to-End-Lösungen anregen, von denen beide Seiten profitieren würden. Quantensensorik ist beispielsweise in vielen Branchen anwendbar, darunter in der Chemie-, Pharma- und nachhaltigen Energiebranche, und bietet zahlreiche potenzielle Anwendungsfälle. Unternehmen aller Branchen können von den Talenten profitieren, die sie durch die Zusammenarbeit mit kleinen und mittleren Quantenunternehmen gewinnen. Unternehmen möchten möglicherweise sogar ihr eigenes internes Quantentalent entwickeln. Darüber hinaus können große Branchenakteure als Investoren auftreten.

Investoren müssen auch schnell handeln, und sie können sich einen Vorteil verschaffen, wenn sie die folgenden Fragen berücksichtigen, wenn sie über die Quantentechnologieangebote eines Unternehmens nachdenken:

Quantencomputing könnte zu einer technologischen Revolution führen, eine Kommerzialisierung liegt jedoch noch in weiter Ferne. In der Zwischenzeit können sowohl Unternehmensführer als auch Investoren QS und QComm erkunden, zwei verwandte Technologien, die das Potenzial haben, Branchen zu verändern. Die besten Unternehmen werden ihre Investitionen realitätsnah halten, indem sie sich auf Quantentechnologien konzentrieren, die das Potenzial haben, in reale Anwendungsfälle mit breiter Anziehungskraft umgesetzt zu werden.

Gaurav Batraist Partner im McKinsey-Büro in Washington, DC;Martina Gschwendtnerist Berater im Münchner Büro;Ivan Ostojicist Partner im Zürcher Büro;Andrea Queiroloist Partner im New Yorker Büro;Henning Soller ist Partner im Frankfurter Büro; UndLinde Westerist Senior Capabilities and Insights Analyst im Amsterdamer Büro.

Die Autoren danken Matteo Biondi, Marc de Jong, Ravi Gupta, Tinashe Handina, Holger Harreis, Anna Heid, Masashi Hirose, Niko Mohr, Bill E. Newman, Nick Santhanam, Stephanie Wehner, Matija Zesko, Waris Ziarkash und allen Experten Interviewpartner für ihre Beiträge zu diesem Artikel.

Dieser Artikel wurde von Eileen Hannigan, einer leitenden Redakteurin im Büro in Waltham, Massachusetts, bearbeitet.