title: Einführung in die Quantentechnologie
Creators: name: Saalbach, Klaus
Publisher: name: Universität Osnabrück
Year: 2025
Subjects: subject: Quantentechnologie
subject: Quantencomputer
subject: Quantensensoren
subject: Kryptographie
subject: 600 - Technik
subject: 355 - Militär
subject: 004 - Informatik
subject: 320 - Politik

description: Dieses Arbeitspapier bietet eine kurze Einführung in die Quantentechnologie als aufstrebende Technologie im Militär- und Sicherheitsbereich. Die Quantentechnologie ist für militärische und sicherheitsrelevante Anwendungen sehr vielversprechend, die Hauptgebiete sind Quantencomputer, Quantenkommunikation (quantum communication), Quantensensoren (quantum sensing), Kryptoanalyse und Quantenbildgebung (quantum imaging). Die vier zentralen Konzepte sind Quantenbits, Superposition, Verschränkung und Dekohärenz. Das Grundelement ist das Quantenbit (Qubit), bei dem kleine Teilchen für mehr Variabilität genutzt werden, z.B. der Spin von Elektronen, was für schnelleres Rechnen genutzt werden kann. Superposition bedeutet, dass Quantensysteme in zwei oder mehr Zuständen gleichzeitig existieren, ähnlich einer sich drehenden Münze, die noch auf einer der beiden Seiten landen kann. Diese Systeme sind jedoch sehr empfindlich und eine Wechselwirkung zwischen einem Quantensystem und seiner Umgebung kann zu einem Verlust der Superposition führen, der Dekohärenz. Daher brauchen Quantencomputer ggf. eine extreme Kühlung, spezielle Materialien, eine gute Isolierung von der Umgebung usw., was ihre Anwendung erschwert. Derzeit haben Quantencomputer die Noisy Intermediate-Scale Quantum-Ära mit 50 bis 100 Qubits erreicht. Für 2033 ist ein Computer mit 2.000 logischen Qubits geplant. Die Verschränkung ist eine intrinsische Verbindung zwischen zwei oder mehr Quantenteilchen, die wie ein unsichtbares Band funktioniert. Ändert sich der Quantenzustand eines verschränkten Teilchens, ändert sich sofort auch der Zustand des anderen Teilchens, was die Übertragung von Quanteninformationen über große Entfernungen ermöglicht, wenn sich ein Teilchen im Sender und das andere im Empfänger befindet. Die Empfindlichkeit von Quantenzuständen macht es unmöglich, einen Informationsaustausch abzufangen, ohne die Informationen zu verändern, was Quantenkommunikation sicher macht. Eine praktische Anwendung ist die Quantum Key Distribution QKD, bei der ein sicherer Quantenschlüssel aus verschränkten Photonen zum Schutz von Nachrichten verwendet wird, die über normale Netzwerke gesendet werden. China hat 2016 und 2022 zwei Satelliten für QKD gestartet und verfügt auch am Boden über ein großes QKD-Netzwerk. Im Jahr 2024 startete Deutschland den Mikrosatelliten QUBE für QKD. Im Bereich der Quantensensoren entwickelt das US-Militär Quantennavigationschips, die äußerst empfindliche und überlegene Messungen der Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit ermöglichen. Quantensensoren können die Erkennung von U-Booten verbessern, was für die nukleare Abschreckung relevant ist. In der Kryptoanalyse ermöglicht der Shor-Algorithmus die Faktorisierung großer Zahlen in Primzahlen, wodurch die wichtige Rivest-Shamir-Adleman (RSA)-Verschlüsselung geknackt werden könnte. Für die Entschlüsselung des sicheren RSA-2048-Standards werden jedoch größere Quantencomputer benötigt, die erst in den 2030er Jahren erreicht werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass einige Anwendungen ausgereift sind, während andere noch theoretischer Natur sind. Die Entwicklung von Quantencomputern bleibt technisch anspruchsvoll. Die Quantum Key Distribution QKD ist momentan die fortschrittlichste Anwendung der Quantenkommunikation. Quantensensoren werden als Alternative zum Global Positioning System GPS entwickelt, während das quantenbasierte Knacken der sicheren Verschlüsselungen in den 2030er Jahren erreicht werden könnte. Weitere Fortschritte mit einer breiteren Anwendung sind zu erwarten.