Neueste Durchbrüche im Quanteningenieurwesen und ihre Bedeutung für unsere Zukunft

Die Quanteningenieurwissenschaft erlebt derzeit ein goldenes Zeitalter der Entdeckungen. Allein im vergangenen Jahr haben Forscher weltweit die Grenzen des Ultrakleinen verschoben und Leistungen vollbracht, die einst für Jahrzehnte entfernt gehalten wurden. Von Quantencomputern, die klassische Supercomputer übertreffen, über Quantennetzwerke, die Daten mittels Verschränkung übertragen, bis hin zu Quantensensoren, die die kleinsten Signale erfassen, und Quantenmaterialien, die exotische neue Materiezustände offenbaren – die jüngsten Fortschritte erstrecken sich über alle Bereiche dieses hochmodernen Feldes. Im Folgenden beleuchten wir die wichtigsten Teilgebiete des Quanteningenieurwesens, heben zentrale Durchbrüche des letzten Jahres hervor und erklären verständlich, was diese Entwicklungen für unsere Zukunft bedeuten.

Quantencomputing: Nähert sich nützlichen Quantenmaschinen

Der Majorana 1 topologische Quantenprozessor, der Anfang 2025 vorgestellt wurde, ist ein 8-Qubit-Chip, der ein neues „topologisches Supraleiter“-Material für stabilere Qubits verwendet. Dieser bahnbrechende Ansatz, angeführt von Microsoft und Physikern der UC Santa Barbara, verspricht von Natur aus fehlertolerante Qubits universityofcalifornia.edu.

Quantencomputing nutzt die bizarren Eigenschaften von Quantenbits (Qubits) – die gleichzeitig als 0 und 1 existieren können – um Berechnungen durchzuführen, die weit über die Möglichkeiten herkömmlicher Computer hinausgehen. In den Jahren 2024 und 2025 machte das Quantencomputing mehrere große Schritte in Richtung Praxistauglichkeit:

• Klassische Supercomputer schlagen: Googles neuester Quantenchip „Willow“ bewältigte eine Rechenaufgabe in weniger als fünf Minuten, für die ein führender Supercomputer schätzungsweise 10 Sextillionen (10^25) Jahre benötigen würde blog.google. Diese eindrucksvolle Demonstration des „Quantum Advantage“ zeigt, wie bestimmte Probleme (wie die Simulation komplexer Moleküle oder das Lösen von Optimierungsaufgaben) für klassische Maschinen völlig unerreichbar sind, aber mit Quantenprozessoren lösbar werden.
• Durchbruch bei der Fehlerkorrektur: Vielleicht noch wichtiger ist, dass Googles 70-Qubit-Willow-Chip gezeigt hat, dass das Hinzufügen weiterer Qubits die Fehler exponentiell reduzieren kann – im Wesentlichen wurde damit eine 30-jährige Suche in der Quantenfehlerkorrektur gelöst blog.google. „Damit wird eine zentrale Herausforderung der Quantenfehlerkorrektur gelöst, an der das Feld fast 30 Jahre lang gearbeitet hat“, schrieb Hartmut Neven, Direktor von Google Quantum AI blog.google. Indem unterhalb der Fehlerkorrekturschwelle gearbeitet wurde, lieferte Willow den bisher klarsten Beweis dafür, dass skalierbares, fehlertolerantes Quantencomputing erreichbar ist blog.google. Experten bezeichneten dies als „den überzeugendsten Prototyp eines skalierbaren logischen Qubits, der bisher gebaut wurde… ein starkes Zeichen dafür, dass nützliche, sehr große Quantencomputer gebaut werden können“ blog.google.
• Topologische Qubits sind da: In einem weiteren beeindruckenden Fortschritt hat ein Microsoft/UCSB-Team die ersten topologischen Qubits überhaupt geschaffen – exotische Qubits, die in einer neuen Materiephase namens topologischer Supraleiter gespeichert werden universityofcalifornia.edu. Diese Qubits (realisiert in einem 8-Qubit-Prototyp-Chip namens Majorana 1) nutzen Majorana-Nullmoden – seltsame Quasiteilchen, die ihre eigenen Antiteilchen sind – um Informationen mit eingebautem Schutz vor Störungen zu codieren universityofcalifornia.edu. „Wir haben einen neuen Materiezustand geschaffen, genannt topologischer Supraleiter“, erklärte Dr. Chetan Nayak, Direktor von Microsoft Station Q, und fügte hinzu, dass ihre Ergebnisse zeigen, „dass wir es können, es schnell können und es genau können“ universityofcalifornia.edu. Topologische Qubits sind von Natur aus stabiler und könnten so Quantencomputer ermöglichen, die deutlich weniger fehlerkorrigierende Qubits benötigen. Microsoft hat sogar eine Roadmap angekündigt, um diese Technologie in den kommenden Jahren auf eine Million Qubits auf einem einzigen Chip zu skalieren azure.microsoft.com – ein kühnes Ziel, das, falls es erreicht wird, transformativ wäre.
• Hochskalierung und Branchendynamik: Führende Unternehmen liefern sich weiterhin ein Rennen um höhere Qubit-Zahlen und bessere Leistung. IBM betreibt inzwischen einige der weltweit größten supraleitenden Quantenprozessoren (kürzlich wurde die Marke von 400+ Qubits auf einem einzigen Chip überschritten, ein 1.121-Qubit-Chip ist in Vorbereitung) und erforscht modulare „quantenzentrische Supercomputer“, die in den nächsten zehn Jahren 100.000 Qubits erreichen könnten pme.uchicago.edu. Wichtig ist, dass Industrie und Wissenschaft zusammenarbeiten, um Quantencomputing nutzbar zu machen: So haben Forscher begonnen, Quantenalgorithmen mit KI und Hochleistungsrechnen zu integrieren, um Probleme in Chemie und Materialwissenschaften anzugehen thequantuminsider.com. Schon jetzt experimentieren Unternehmen aus Pharma, Energie, Finanzen und Luft- und Raumfahrt mit Quantencomputern für reale Aufgaben time.com. Wie zwei CEOs der Branche in Time-Magazin schrieben, „hat das Quantenzeitalter bereits begonnen“, wobei Quanten-Hardware und -Software in den letzten 18 Monaten mit „rasender Geschwindigkeit“ voranschreiten time.com.

Wie geht es weiter? Mit diesen Durchbrüchen legt das Quantencomputing sein Image als fernes Zukunftsversprechen zunehmend ab und entwickelt sich zu einem Werkzeug für die Lösung realer Probleme. Fehlerkorrigierte Qubits und stabile topologische Qubits könnten in wenigen Jahren verfügbar sein und Maschinen ermöglichen, die klassische Supercomputer bei nützlichen Aufgaben zuverlässig übertreffen. Die Auswirkungen wären enorm: Wir könnten neue Medikamente und Materialien entwerfen, indem wir Chemie auf Quantenebene simulieren, komplexe Logistik und KI-Modelle optimieren und sogar heute noch unlösbare Probleme knacken. Auch wenn Herausforderungen bleiben (Skalierung auf Tausende oder Millionen Qubits, Verbesserung der Qubit-Qualität und Senkung der Kosten), deutet der jüngste Fortschritt darauf hin, dass nützliche Quantencomputer viel früher kommen könnten, als viele erwartet haben. Wie ein Bericht feststellte, kommt die Quantenrevolution nicht durch einen einzigen „Aha-Moment“, sondern durch „Leistungsdurchbrüche, gelöste Probleme und nachhaltige Wertschöpfung“ – oft im Hintergrund, aber bereits im Gange time.com.

Quantenkommunikation: Aufbau des Quanteninternets

Quantenkommunikation nutzt Quantenzustände (wie verschränkte Photonen), um ultrasichere, sofortige Informationsübertragung zu ermöglichen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Signalen kann Quanteninformation auf Arten übertragen werden, die Abhörer nicht abfangen können, ohne entdeckt zu werden, und legt damit den Grundstein für ein unhackbareres Quanteninternet. Im vergangenen Jahr gab es bemerkenswerte Fortschritte, die diese Vision der Realität näherbringen:

• Teleportation über bestehende Glasfaser: In einem weltweit ersten Experiment haben Ingenieure der Northwestern University Quanteninformation über 30 km Glasfaserkabel teleportiert, das gleichzeitig normalen Internetverkehr übertrug news.northwestern.edu. Sie erreichten Quanten-Teleportation (Übertragung des Zustands eines Qubits von einem Ort zum anderen mittels Verschränkung) über Standard-Glasfaser, indem sie sorgfältig Interferenzen mit den klassischen Datenströmen vermieden. „Das ist unglaublich spannend, weil niemand dachte, dass es möglich ist“, sagte Prof. Prem Kumar, der die Studie leitete news.northwestern.edu. „Unsere Arbeit zeigt einen Weg zu einer nächsten Generation von Quanten- und klassischen Netzwerken, die eine gemeinsame Infrastruktur nutzen … im Grunde öffnet es die Tür, um Quantenkommunikation auf die nächste Stufe zu heben.“ news.northwestern.edu. Indem sie das richtige Wellenlängen-„Fenster“ fanden und Störungen herausfilterten, bewies das Team, dass Quantensignale mit alltäglichem Internetverkehr in derselben Faser koexistieren können news.northwestern.edu. Das bedeutet, dass wir möglicherweise keine dedizierten Quantenkabel benötigen; das zukünftige Quanteninternet könnte auf den heutigen Glasfasernetzen laufen, was die Hürden für die Einführung drastisch senken würde news.northwestern.edu.
• Fern-Quantenverschränkung, ungebrochen: Im April 2025 demonstrierten Forscher von Deutsche Telekoms T-Labs und Qunnect die dauerhafte Verteilung verschränkter Photonen über 30 km kommerzielles Glasfasernetz mit 99 % Genauigkeit, ununterbrochen für 17 Tage telekom.com. Diese Stabilität und Betriebszeit sind beispiellos. Es zeigt, dass verschränkte Verbindungen – das Rückgrat von Quanten-Netzwerken – zuverlässig unter realen Bedingungen aufrechterhalten werden können. Durchgehend hohe Verschränkungsgenauigkeit über große Distanzen ist ein entscheidender Schritt hin zu großflächigen Quanten-Repeatern und Netzwerken. Die Tatsache, dass dies auf standardmäßig verlegter Glasfaser im Großraum Berlin erreicht wurde, unterstreicht, dass Quanten-Netzwerktechnologie das Labor verlässt und in praktische Umgebungen einzieht telekom.com.
• Quanten-Netzwerke skalieren: Weltweit werden Testumgebungen für Quantenkommunikation rasant ausgebaut. Nationale Projekte verbinden Städte mit quantenverschlüsselten Glasfaserleitungen und Satelliten. So betreibt China eine 2.000 km lange Quantenverbindung zwischen Peking und Shanghai mit Quanten-Schlüsselverteilung (QKD) über Satelliten und Glasfaser, und europäische Kooperationen verbinden mehrere Länder zu einem entstehenden „Quanten-Backbone“. In den USA haben nationale Labore und Universitäten städtische Quanten-Netzwerk-Testfelder gebildet (wie das 124 Meilen lange Netzwerk des Chicago Quantum Exchange), um mit Verschränkungs-Swapping und Quanten-Repeatern zu experimentieren. All diese Bemühungen zahlen auf das ultimative Ziel ein: ein weltumspannendes Quanteninternet, das vollkommen sichere Kommunikation und verteiltes Quanten-Computing ermöglicht. Jüngste Durchbrüche bei Quanten-Speichern und Repeater-Knoten (Geräte, die Verschränkung speichern und verlängern) verbessern die Reichweite und Zuverlässigkeit von Quantenverbindungen news.northwestern.edu, während kleine Quanten-Satelliten bereits die Fähigkeit gezeigt haben, verschränkte Photonen zwischen Kontinenten zu übertragen.

Wie geht es weiter? In naher Zukunft ist zu erwarten, dass quanten-gesicherte Kommunikation beginnt, sensible Daten zu schützen. Banken, Regierungen und Gesundheitsdienstleister testen bereits QKD für abhörsichere Verschlüsselung kritischer Verbindungen. Mit dem Wachstum der Quanten-Netzwerke werden wir die Einführung von Quanten-Clouds erleben – sichere Netzwerke, in denen Quantencomputer aus der Ferne genutzt werden können, wobei Verschränkung die Privatsphäre garantiert. Letztlich könnte ein vollständiges Quanteninternet Quanten-Geräte weltweit verbinden und so Leistungen wie Blindes Quanten-Computing (Rechnen auf einem entfernten Quantenserver mit garantierter Privatsphäre) und die Synchronisierung von Atomuhren rund um den Globus mit nie dagewesener Präzision ermöglichen. Das Fazit: Quantenkommunikation verspricht ein abhörsicheres Internet, das unsere zukünftige digitale Infrastruktur selbst gegen Quantencomputer schützt, die heutige Verschlüsselung knacken könnten.

Quanten-Sensorik: Nie dagewesene Präzision und neue Horizonte

Quanten-Sensorik nutzt Quantenphänomene, um physikalische Größen mit extremer Empfindlichkeit und Genauigkeit zu messen, weit über das hinaus, was herkömmliche Sensoren leisten können. Durch die Ausnutzung von Effekten wie Superposition und Verschränkung können Quantensensoren winzige Veränderungen in Feldern, Kräften und Zeit erkennen. Jüngste Fortschritte liefern Sensorfähigkeiten, die fast wie Science-Fiction klingen:

• Abbildung von Atomen und Feldern im atomaren Maßstab: Mitte 2024 stellte ein internationales Team unter der Leitung des Forschungszentrums Jülich in Deutschland den weltweit ersten Quantensensor für die „atomare Welt“ vor – einen Sensor, der elektrische und magnetische Felder mit räumlicher Auflösung von einem Zehntel eines Angströms (10^−10 m) detektieren kann, etwa so groß wie ein einzelnes Atom fz-juelich.de. Dies gelang ihnen, indem sie ein einzelnes Molekül an die Spitze eines Rastermikroskops anbrachten und den Quantenspin des Moleküls nutzten, um Felder aus extrem geringer Entfernung zu messen fz-juelich.de. „Dieser Quantensensor ist ein Game Changer, weil er Bilder von Materialien liefert, die so detailreich sind wie ein MRT, und gleichzeitig einen neuen Standard für die räumliche Auflösung setzt“, sagte Dr. Taner Esat, der Hauptautor fz-juelich.de. Mit anderen Worten: Sie können elektromagnetische Landschaften innerhalb von Materialien Atom für Atom sichtbar machen – eine Fähigkeit, die unser Verständnis von Materialien, Katalyse und Nanoelektronik revolutionieren wird. Dieses Werkzeug kann Defekte in Quantenchips untersuchen, Atome in einem Halbleiter kartieren oder sogar Biomoleküle inspizieren – alles mit beispielloser Detailgenauigkeit.
• Parallele Quanten-Sensorik & bessere Messungen: Ende 2024 berichteten Wissenschaftler am Oak Ridge National Lab (ORNL) über eine neuartige quantenverstärkte Sensorplattform, die gepresstes Licht verwendet, um die Empfindlichkeit mehrerer Sensoren gleichzeitig zu verbessern ornl.gov. Durch das Senden speziell korrelierter Photonen (Zwillingsstrahlen mit quantenverbundenen Rauscheigenschaften) in ein Vier-Sensoren-Array erzielten sie gleichzeitige Empfindlichkeitsverbesserungen von etwa 23 % bei allen Sensoren im Vergleich zu klassischen Grenzen ornl.gov. Dies ist eine der ersten Demonstrationen von paralleler Quanten-Sensorik, bei der mehrere Orte gleichzeitig mit Quanten-Vorteil untersucht werden. „Typischerweise nutzt man [Quanten-]Korrelationen, um eine Messung zu verbessern… Was wir gemacht haben, war, sowohl zeitliche als auch räumliche Korrelationen zu kombinieren, um mehrere Sensoren gleichzeitig zu untersuchen und für alle eine gleichzeitige Quanten-Verbesserung zu erzielen“, erklärte Alberto Marino vom ORNL ornl.gov. Dieser Ansatz könnte entscheidend für Anwendungen wie Dunkle-Materie-Detektion sein, bei denen große Sensor-Arrays alle über die klassische Empfindlichkeit hinausgehen müssen ornl.gov. Er könnte auch schnellere Quantenbildgebung und medizinische Diagnostik ermöglichen, indem mehrere Datenpunkte auf einmal erfasst werden.
• Quanten-Sensoren im Alltag: Quanten-Sensortechnologien reifen ebenfalls für den Einsatz in der realen Welt. Zum Beispiel können Quantenmagnetometer auf Basis von Diamant-Nitrogen-Vacancy-(NV)-Zentren nun die schwachen magnetischen Signale neuronaler Aktivität im Gehirn oder das Vorhandensein seltener Mineralien unter der Erde erkennen – Aufgaben, die zuvor ohne riesige Maschinen unmöglich waren. Ultrakalte Atominterferometer-Sensoren werden im Feld für Navigationssysteme, die nicht auf GPS angewiesen sind, getestet, indem sie winzige Veränderungen in Trägheit und Gravitation messen, um Bewegungen mit extremer Präzision zu verfolgen. Und Fortschritte bei Atomuhren brechen weiterhin Rekorde: Die besten optischen Gitteruhren von heute sind so präzise, dass sie Einsteins gravitative Zeitdilatation über einen Höhenunterschied von nur einem Millimeter messen können und erkennen, wie die Zeit leicht langsamer in der Nähe des Gravitationsfeldes der Erde vergeht physicsworld.com. Diese verblüffende Genauigkeit macht Uhren im Grunde zu Gravitationssensoren und könnte zu neuen geodätischen Techniken führen (Kartierung von Dichteunterschieden der Erde durch Zeitdilatation).

Was kommt als Nächstes? Quanten-Sensoren stehen kurz davor, viele Branchen grundlegend zu verändern. In der Gesundheitsversorgung könnten SQUID-Magnetometer und diamantbasierte Sensoren ultra-hochauflösende MRT-Scans oder Gehirn-Maschine-Schnittstellen ermöglichen, indem sie winzige biomagnetische Felder messen. In der Navigation und Geologie können Quanten-Gravimeter und -Beschleunigungsmesser eine GPS-unabhängige Navigation für Flugzeuge und unterirdische Erkundungen ermöglichen, indem sie Gravitationsanomalien oder Trägheitsänderungen erfassen. Die nationale Verteidigung wird Quanten-Sensoren zum Aufspüren von Tarnobjekten oder unterirdischen Anlagen einsetzen (indem subtile Veränderungen im Schwerefeld oder Magnetfeld erkannt werden). Selbst die Suche nach Dunkler Materie und Gravitationswellen profitiert – die außergewöhnliche Empfindlichkeit quantenmechanischer Geräte eröffnet neue Fenster zur fundamentalen Physik. Da diese Sensoren immer kompakter und robuster werden, können wir eine neue Ära von Instrumenten erwarten, die die Welt (und das Universum) mit beispielloser Präzision vermessen und uns Rückmeldungen und Fähigkeiten geben, die zuvor einfach unerreichbar waren.

Quantenmaterialien: Die Bausteine des Quantenzeitalters entdecken

Allen oben genannten Fortschritten liegen Quantenmaterialien zugrunde – Substanzen mit bemerkenswerten quantenmechanischen Eigenschaften, die neue Technologien ermöglichen. Quantenmaterialien umfassen Supraleiter (die Strom ohne Widerstand leiten), topologische Isolatoren (die an ihren Rändern, aber nicht im Inneren leiten), Quantenmagnete und andere exotische Materiephasen. Im vergangenen Jahr haben Wissenschaftler spannende Entdeckungen in der Quantenmaterialforschung gemacht, die uns Durchbrüchen wie praktischen Supraleitern und fehlertoleranten Qubits näherbringen:

• Topologische Supraleiter – Ein neuer Materiezustand: Einer der wichtigsten Erfolge war die Erzeugung eines topologischen Supraleiters im zuvor erwähnten Microsoft/UCSB-Quantenprozessor. Durch die Entwicklung eines Hybridmaterials aus einem Halbleiter (Indiumarsenid) und einem Supraleiter (Aluminium) und das Abkühlen auf nahezu den absoluten Nullpunkt unter bestimmten Magnetfeldern induzierten die Forscher eine neue Materiephase, die an ihren Enden Majorana-Nullmoden beherbergt azure.microsoft.com. Diese Majorana-Moden sind das Fundament topologischer Qubits, da sie Quanteninformationen nicht-lokal speichern (die Information ist im Material „verteilt“ und somit geschützt). „Fast ein Jahrhundert lang existierten diese Quasiteilchen nur in Lehrbüchern. Jetzt können wir sie nach Bedarf erzeugen und kontrollieren,“ bemerkte das Microsoft-Team azure.microsoft.com. Die erfolgreiche Realisierung einer topologischen supraleitenden Phase ist nicht nur ein Durchbruch für das Computing, sondern auch ein Meisterstück der Materialwissenschaft – sie bestätigt einen lange theoretisierten Materiezustand im Labor. Topologische Supraleiter sind spannend, weil sie elektronische Geräte mit null Energieverlust und von Natur aus robuste Quantenbits ermöglichen könnten. Das diesjährige Ergebnis ist ein Machbarkeitsnachweis, dass solche Materialien hergestellt und manipuliert werden können und ebnet den Weg für die nächste Generation der Quantenelektronik.
• Neue Quantenphasen und „unkonventionelle“ Supraleiter: Forschende entdecken außerdem natürlich vorkommende Quantenmaterialien mit ungewöhnlichen Eigenschaften. In einem Beispiel fand ein Team der Cornell University Hinweise auf einen „Pair Density Wave“-Zustand in einer Verbindung namens Uran-Ditellurid (UTe₂) – im Wesentlichen ein kristallines Muster von Elektronenpaaren in einem Supraleiter physics.cornell.edu. Dieser neue Zustand ist eine Form von topologischer Quantenmaterie, bei der sich Cooper-Paare (die für die Supraleitung verantwortlichen Elektronenpaare) in einem stehenden Wellenmuster anordnen, anstatt im üblichen gleichmäßigen Kondensat physics.cornell.edu. „Was wir entdeckt haben, ist ein neuer Zustand der Quantenmaterie – eine topologische Pair Density Wave, die aus Spin-Triplet-Cooper-Paaren besteht“, sagte Dr. Qiangqiang Gu und merkte an, dass dies das erste Mal ist, dass ein solcher Zustand beobachtet wurde physics.cornell.edu. Spin-Triplet-(ungerade-Parität)-Supraleiter wie UTe₂ sind heilige Grale, weil sie auf natürliche Weise Majorana-Moden für Quantencomputer unterstützen könnten physics.cornell.edu. Dieser Durchbruch deutet darauf hin, dass die Natur Quantenphasen beherbergen könnte, die wir noch nie gesehen haben und deren Eigenschaften für zukünftige Technologien nutzbar sind. Inzwischen machen Materialwissenschaftler Fortschritte bei der Synthese neuartiger 2D-Materialien (wie eines neu entdeckten Heavy-Fermion-2D-Materials CeSiI, das seltsames Elektronenverhalten zeigt azonano.compurdue.edu) und beim Kombinieren von Materialien auf clevere Weise – zum Beispiel durch das Stapeln von Graphenschichten in einem „magischen Winkel“, um Supraleitung zu induzieren, oder durch das Verbinden von Magneten und Supraleitern, um neue Effekte zu erzeugen. Jedes neu entdeckte oder hergestellte Quantenmaterial erweitert die Palette der Werkzeuge, die Ingenieuren zum Bau von Quantenbauteilen zur Verfügung stehen.
• Materialien für Qubits und Geräte: Ein Großteil des Quantenengineerings hängt davon ab, Materialien zu finden, die Qubits mit niedrigen Fehlerraten beherbergen können. Im vergangenen Jahr gab es auf mehreren Ebenen Fortschritte. Forscher zeigten, dass Defekte in Halbleitern mit großer Bandlücke (wie Leerstellen in Diamant oder Dotierungen in Siliziumkarbid) als stabile Qubits dienen können, die sogar bei Raumtemperatur funktionieren – was großartig für Quantensensoren und einfache Quantenprozessoren sein könnte. Ein weiterer Ansatz zeigte die Herstellung von Qubits aus dem Seltenerd-Element Erbium, das in verschiedene Kristallwirte eingebettet ist, und verdeutlichte, wie die Materialwahl die Quanteneigenschaften beeinflusst pme.uchicago.edu. Durch die Erforschung neuer Wirtsmaterialien für bekannte Qubitsysteme (Erbium-Spins, Silizium-Quantenpunkte usw.) optimieren Wissenschaftler Kohärenzzeiten und Konnektivität. Ein bedeutender Meilenstein kam vom materialfokussierten Ansatz des Argonne National Lab: Sie bauten ein neuartiges Qubit und erreichten eine Kohärenzzeit von 0,1 Millisekunden – fast 1000-mal länger als der bisherige Rekord für diesen Typ pme.uchicago.edu. Dies wurde durch Materialinnovationen erreicht, die das Rauschen und die Isolation für das Qubit reduzierten. Längere Kohärenz bedeutet, dass mehr Operationen an einem Qubit durchgeführt werden können, bevor Informationen verloren gehen, sodass diese Verbesserungen sich direkt in leistungsstärkere und zuverlässigere Quantencomputer übersetzen. Kurz gesagt: bessere Materialien = bessere Qubits.

Was kommt als Nächstes? Die Suche nach revolutionären Materialien wird das Quantenengineering weiterhin vorantreiben. Ein Hauptziel ist ein Supraleiter bei Raumtemperatur – ein Material, das ohne extreme Kühlung supraleitend ist. Eine solche Entdeckung wäre bahnbrechend (sie würde verlustfreie Stromnetze, günstige MRT-Geräte, Magnetschwebebahnen und Quanten­geräte ermöglichen, die bei Umgebungstemperatur arbeiten). Im Jahr 2023 bekam die Welt einen Vorgeschmack auf den Wirbel, den ein solcher Durchbruch auslösen könnte, als ein Material namens „LK-99“ angeblich bei Raumtemperatur supraleitend war – es sorgte für virale Begeisterung, wurde aber schnell durch strenge Tests widerlegt lens.monash.edu, was uns daran erinnert, dass außergewöhnliche Behauptungen außergewöhnliche Beweise erfordern. Während ein echter Supraleiter bei Raumtemperatur weiterhin aussteht, werden schrittweise Fortschritte erzielt: Die kritischen Temperaturen bekannter Supraleiter steigen stetig, und neuartige Verbindungen (manchmal unter hohem Druck) haben Supraleitung näher an Umgebungsbedingungen gezeigt. Über Supraleiter hinaus suchen Wissenschaftler aktiv nach Materialien, die robustere Qubits ermöglichen (z. B. Materialien mit niedrigem Kernspin für längere Kohärenz oder topologische Materialien für fehlertolerante Qubits), sowie nach Materialien, die einzelne Photonen oder verschränkte Photonen auf Abruf für die Kommunikation emittieren können. Die Forschung an Quantenmaterialien ist ein Dreh- und Angelpunkt des gesamten Feldes – jede neue Entdeckung kann sich auf bessere Quantengeräte und Anwendungen auswirken. In den kommenden Jahren ist damit zu rechnen, dass überraschende neue Materiezustände entdeckt werden und mehr „Designer“-Materialien (wie Microsofts „Topokonduktor“ azure.microsoft.com oder andere entwickelte Strukturen) Fähigkeiten freisetzen, die wir uns noch nicht einmal vorstellen können.

Fazit: Eine quanten­technisch gestaltete Zukunft

Von ultra­leistungsfähigen Computern über unhackbaren Kommunikationen, ultra­präzisen Sensoren bis hin zu neuartigen Materiezuständen – die Durchbrüche im Quantenengineering sind nicht nur intellektuell spannend, sondern läuten transformative Veränderungen für die Gesellschaft in naher Zukunft ein. Entscheidend ist, dass diese Teilbereiche nicht isoliert voranschreiten: Fortschritte in einem Bereich katalysieren oft Fortschritte in anderen. Zum Beispiel ermöglichen bessere Quantenmaterialien stabilere Qubits; verbesserte Quantencomputer helfen bei der Entwicklung neuer Materialien; Quantennetzwerke werden Quantencomputer miteinander verbinden und ihre Leistung verstärken; und Quantensensoren helfen, Materialien und Geräte auf atomarer Ebene zu charakterisieren. Wir erleben die Anfänge eines positiven Innovationskreislaufs.

Für die breite Öffentlichkeit werden die Auswirkungen dieser esoterischen Fortschritte auf verschiedene Weise greifbar werden:

• Gesundheitswesen und Chemie: Quantencomputer könnten Medikamente und Proteine mit atomarer Genauigkeit modellieren, was zu Heilmitteln und Materialien führt, die am Computer statt durch Versuch und Irrtum entwickelt werden. Quantensensoren könnten die Früherkennung von Krankheiten durch winzige Biomarkersignale oder fortschrittliche Gehirnbildgebung ermöglichen.
• Cybersicherheit und Datenschutz: Quantenkommunikation wird voraussichtlich unsere Finanztransaktionen und vertraulichen Daten durch Quantenverschlüsselung sichern, die Hacker (selbst mit Quantencomputern) nicht knacken können. Wir könnten sensible geschäftliche oder diplomatische Kommunikation mit absoluter Vertraulichkeit führen, garantiert durch die Gesetze der Physik.
• Rechnen und KI: Sobald Quantenprozessoren Optimierungs- und Machine-Learning-Probleme bearbeiten, werden wir Verbesserungen in allem sehen – von Lieferkettenlogistik über Klimamodellierung bis hin zu KI-Fähigkeiten. Einige Aufgaben, an denen heutige KI scheitert, könnten hybriden Quanten-Klassik-Algorithmen weichen, die auf zukünftigen, quantenbeschleunigten Cloud-Plattformen laufen.
• Sensorik und Navigation: Unsere Telefone und Fahrzeuge könnten eines Tages Quanten-Gyroskope und -Beschleunigungsmesser enthalten, die eine ultrapräzise Navigation selbst ohne GPS ermöglichen. Quantengravitationssensoren könnten unterirdisch nach Mineralien suchen oder Vulkane und Verwerfungen überwachen, indem sie Dichteänderungen erfassen. Vielleicht gibt es sogar Wearables, die mit Quantensensoren unsere Gesundheit nicht-invasiv überwachen.
• Energie und Industrie: Quantenmaterialien wie Hochtemperatur-Supraleiter könnten das Stromnetz und den Transport mit verlustfreien Stromleitungen, effizienter Magnetschwebetechnik und besseren Batterien revolutionieren (Quantencomputing wird bereits genutzt, um nach verbesserter Batterietechnologie zu suchen time.com). Industrielle Prozesse könnten von quantenoptimierten Designs und Katalysatoren profitieren.

Kurz gesagt, das Quantenengineering ist im Begriff, eine Grundlage der Technologie des 21. Jahrhunderts zu werden, so wie es die klassische Elektronik im 20. Jahrhundert war. Während diese Durchbrüche weiterhin in rasantem Tempo erfolgen, kommen wir einer Zukunft näher, in der Quantengeräte wichtige Probleme lösen, unsere Daten schützen und tiefere Wahrheiten über das Universum enthüllen. Es ist eine aufregende Zeit an der Spitze der Wissenschaft – eine Quanten-Zukunft ist keine Spekulation mehr, sie wird gerade jetzt, Durchbruch für Durchbruch, entwickelt.

Quellen:

• Google Quantum AI – Hartmut Neven, „Meet Willow, our state-of-the-art quantum chip,“ Google Blog (Dez. 2024) blog.google.
• University of California, Santa Barbara – Sonia Fernandez, „‘We have created a new state of matter’: New topological quantum processor marks breakthrough in computing,“ (20. Feb. 2025) universityofcalifornia.edu.
• Northwestern University – Amanda Morris, „Erster Nachweis der Quanten-Teleportation über stark genutzte Internetkabel,“ (20. Dez. 2024) news.northwestern.edu.
• Deutsche Telekom T-Labs – Verena Fulde, „Durchbruch für das Quanteninternet – vom Labor in die reale Welt,“ (15. Apr. 2025) telekom.com.
• Forschungszentrum Jülich – Pressemitteilung, „Quanten-Sensor für die atomare Welt,“ (1. Aug. 2024) fz-juelich.de.
• Oak Ridge National Lab – Mark Alewine, „Forschende zeigen Quanten-Vorteil, der zukünftige Sensortechnologien voranbringen könnte,“ ORNL News (16. Okt. 2024) ornl.gov.
• Cornell University – „Durchbruch identifiziert neuen Zustand topologischer Quantenmaterie,“ Cornell Chronicle (10. Juli 2023) physics.cornell.edu.
• University of Chicago PME – „World Quantum Day 2024: Neueste Entwicklungen in Quantenwissenschaft und -technologie,“ (12. Apr. 2024) pme.uchicago.edu.
• Time Magazine – Vimal Kapur & Rajeeb Hazra, „Das Quantenzeitalter hat bereits begonnen,“ (Sept. 2024) time.com.
• Nature/ACS Publications – Beweise widerlegen LK-99-Behauptung zur Supraleitung bei Raumtemperatur (2023) lens.monash.edu.