Industrie + Technik

Strategisch vorgehen | Die Nationale Bioökonomiestrategie der Bundesregierung bezieht sich auf 12 der 17 Sustainable Development Goals (SDGs) der Vereinten Nationen, auf die sich die Staatengemeinschaft im Jahr 2015 in New York verständigt hat. Die Veröffentlichung zeigt die Forschungs- und Förderlandschaft zur Bioökonomie in Deutschland, darunter das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand, Demonstrationsanlagen und Reallabore [diese Nachrichten, S. 24].Langfassung Bioökonomiestrategie: <a href="https://t1p.de/kwml" target="_blank">t1p.de/kwml</a>; Fördermaßnahmen im Überblick: <a href="https://t1p.de/wju7" target="_blank">t1p.de/wju7</a>Schrott recyclen | Um in kleinen Schrottteilen Sonderlegierungen zu identifizieren, empfiehlt das Aachener Fraunhofer Institut für Lasertechnik (ILT) Laseremissionsspektroskopie (laserinduzierte Breakdown-Spektroskopie, LIBS). Zusammen mit dem Karlsruher Unternehmen Cronimet Ferroleg startete das ILT eine Pilotanlage, die Sonderlegierungen sortiert. Nun soll mit 15 europäischen Partnern ein Sensor entstehen, der sich in bestehende Industrieanlagen einbauen lässt und so den Recyclingprozess effizienter macht.<a href="https://revamp-project.eu" target="_blank">revamp-project.eu</a>Demoanlagen nutzen | Start-ups, kleine und mittlere Unternehmen unterstützt das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) dabei, bioökonomische Produkte und Verfahren, die sie im Labormaßstab entwickelt haben, großtechnisch umzusetzen. Forschungseinrichtungen können als Kooperationspartner mitwirken. Das BMWi bezuschusst Unternehmen, die Demonstrationsanlagen nutzen, unterstützt etwa bei Vertragsverhandlungen mit Anlagenbetreibern, Schutzrechtsvereinbarungen und Innovationsberatungen. Zudem fließen Gelder für Studien, die zeigen, ob unternehmenseigene Demonstrationsanlagen machbar sind, und in Marktstudien zur Bioökonomie.<a href="https://bmwi.de/industrielle-biooekonomie" target="_blank">bmwi.de/industrielle-biooekonomie</a>Schadstoffe verringern | Ruß, Methan und bodennahes Ozon müssen stärker reguliert werden, sagt Kathleen Mar, Atmosphärenchemikerin am Institute for Advanced Sustainability Studies (IASS) in Potsdam. Sie empfiehlt, die Emission dieser kurzlebigen klimawirksamen Schadstoffe (short-lived climateforcing pollutants, SLCPs) zu verringern. Atmosphäre und Klima würden darauf schneller reagieren als auf das Senken von CO2-Emissionen; CO2 reichert sich langfristig in der Atmosphäre an. Zu den Maßnahmen gehört, aus Deponiegas Energie zu gewinnen, statt es in die Luft gelangen zu lassen. Um SLCPs weiter zu reduzieren, müssten zudem Land- und Abfallwirtschaft Methan- und Rußemissionen reduzieren, und die Industrie müsste weniger Fluorkohlenwasserstoffe als Kältemittel verwenden.doi: 10.37207/CRA.3.1Maren Bulmahn

Meldung

Bioökonomie, Kohlendioxid und Klima

Strategisch vorgehen | Die Nationale Bioökonomiestrategie der Bundesregierung bezieht sich auf 12 der 17 Sustainable Development Goals (SDGs) der Vereinten Nationen, auf die sich die Staatengemeinschaft im Jahr 2015 in New York verständigt hat. Die Veröffentlichung zeigt die Forschungs- und Förde...

Quantencomputer entwickeln neue Moleküle und simulieren komplexe Vorgänge. Was Quantencomputing noch kann, wie es funktioniert und warum nicht jedes Unternehmen seine eigene Rechenmaschine braucht, um die Technik zu nutzen.
Replikatoren – Geräte so unscheinbar wie eine Mikrowelle – sind im Star-Trek-Universum in der Lage, jeden Gegenstand zu erzeugen, dessen atomare Struktur ihnen bekannt ist. Sie erzeugen vor allem Dinge des täglichen Bedarfs, zum Beispiel Lebensmittel. Allerdings sind Replikatoren nicht perfekt: In mehreren Episoden der Serie sagen Leute, dass das klassisch zubereitete Gericht besser geschmeckt hätte, oder sie deuten es zumindest an. Das Synthetisieren auf molekularer Ebene statt auf Quantenebene, auf der zum Beispiel das Transportersystem („Beam me up, Scotty“) arbeitet, ist ein möglicher Grund, warum replizierte Speisen im Star-Trek-Universum schlechter schmecken als echtes Essen.Wir bräuchten einen Computer, der Moleküle und deren Interaktion nicht nur im Vakuum und am absoluten Nullpunkt genau berechnet, sondern die Realität berücksichtigt. So ließen sich ideale Kandidaten nicht nur für gutes Essen ermitteln, sondern etwa für Pharmawirkstoffe oder Materialien, maßgeschneidert auf definierte Anforderungen und Parameter. Dabei berechnet der Computer neue Moleküle auf Quantenebene, ohne durch bestehende Konzepte eingeschränkt zu sein.Denn klassischerweise ist es heute so, dass jeder Chemiker für jede beliebige Formulierung sein relevantes Set an Elementen kennt und infolgedessen immer dieselben Elemente einsetzt. Dieses Vorgehen ist nicht falsch, ruft jedoch nicht das maximal Mögliche ab, zumal es unmöglich wäre, alle Elementkombinationen zu testen. Der Computer würde genau dies tun und unvoreingenommen von bestehenden Konzepten bis dato als weniger erfolgsversprechend klassifizierte Elementkombinationen nutzen. Er berücksichtigt nahezu das komplette Periodensystem und stößt so auf bislang unbekannte Elementkombinationen und Moleküle, die helfen könnten, Probleme schneller zu lösen oder in einem neuen Licht zu sehen.Das Problem: Digitale (binäre) Computer, wie wir sie heute nutzen, arbeiten mit Näherungslösungen, die mit steigender Genauigkeit die Rechenzeiten erhöhen. Denn Computer führen die meisten Rechenschritte sequenziell aus, also einen nach dem anderen. Zwar sind auch klassische Computer in der Lage, Prozesse parallel auszuführen, etwa durch Multi-Core-Berechnungen. Jedoch bearbeiten sie die Rechenoperationen innerhalb der parallel laufenden Prozesse sequenziell. Dies gilt unabhängig davon, wie hoch die Rechenleistung ist, also für einfache Laptops bis hin zu High-Performance-Computern.Seit zirka 40 Jahren erforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Quantencomputer als Alternative zu klassischen Computern.1) Was sie zunächst als Idee und theoretisches Konzept verfolgten, hat im Herbst 2019 erstmals ein Experiment von Google gezeigt: Quantencomputer können einige Berechnungsprobleme schneller lösen als klassische Computer.2)<h2>Simultan arbeiten</h2>Quantencomputer verarbeiten Information als Quantenbits (Qubits). Während klassische Bits nur Werte zwischen „0“ und „1“ annehmen, repräsentieren Qubits gleichzeitig beide Zustände und alle Zustände dazwischen. So ist ein Qubit beispielsweise zu 30 Prozent im Zustand „1“, zu 50 Prozent „0“ und zu 20 Prozent in allen anderen möglichen Kombinationen. Das System basiert also grundlegend auf Wahrscheinlichkeitsamplituden und unterscheidet sich damit fundamental vom klassischen Computing. Folglich lassen sich durch Qubits (theoretisch) mehr Informationen gleichzeitig darstellen als durch klassische Bits.Ein weiterer Faktor ist die Verschränkung von Qubits. Sie erlaubt, den Lösungsraum mit 2n statt wie bei klassischen Computern mit 2·n zu skalieren. Mit 4 Qubits lassen sich daher 24 = 16 Lösungen statt klassisch 8 Lösungen abbilden. Dies erlaubt Quantencomputern, Probleme simultan zu bearbeiten; sie betrachten die möglichen Lösungen eines Problems gleichzeitig statt sequenziell wie konventionelle Computer. Das Ergebnis einer Rechnung ist die Kombination mit der höchsten Wahrscheinlichkeit.Damit hat Quantum Computing (QC) disruptives Potenzial. Besonders deutlich wird dies beim maschinellen Lernen, bei dem Quantencomputer prinzipiell schneller Lösungen finden. Die Fraunhofer Allianz Big Data und künstliche Intelligenz attestierten Quantencomputing einen „disruptiven Quantenvorteil für die Entwicklung neuer Arzneimittel und Pflanzenschutzmittel“.3) Denn Quantencomputer könnten durch die beschleunigten Algorithmen Probleme lösen, die so komplex sind, dass klassische Computer sie nur annähernd oder gar nicht lösen könnten. Allerdings werden Quantencomputer die digitalen Computer nicht ersetzen, sondern beim Berechnen besonders komplexer Aufgaben unterstützen.<h2>Moleküle simulieren und dynamische Systeme berechnen</h2>Die elektronische Struktur bestimmt die Eigenschaften von Materialien und Wirkstoffen. Klassische Computer sind für solche Simulationen ein wichtiges Werkzeug, benötigen aber entweder eine große Menge Ausgangsdaten oder lange Rechenzeiten.Quantencomputer hingegen teilen das quantenmechanische Fundament mit Molekülen. So zeichnet sich ab, dass QC für die Simulation größerer und komplexerer Moleküle gut geeignet sein wird. Tatsächlich war die Simulation quantenmechanischer Systeme eins der ersten Probleme, für die Quantencomputer als probates Mittel vorhergesagt wurden.4)Die Vorhersage komplexer dynamischer Prozesse wie Wetter oder Strömungen ist aufgrund der Vielzahl an Variablen mit immensem Rechenaufwand verbunden. Auch hier kamen die Forscher der Fraunhofer Allianz Big Data und Maschinelles Lernen zu dem Schluss, dass Quantencomputer aufgrund ihrer physikalischen Grundlage Wetterberechnungen verbessern könnten.3)<h2>Optimierung</h2>Optimierungsprobleme sind Alltag: Sie tauchen in Finanzwesen, Logistik und Netzwerken auf. Simpel ausgedrückt geht es bei diesen Problemen meistens darum, aus einer Vielzahl möglicher Lösungen die beste herauszufinden. Deren Qualität wird anhand eines Parameters, festgemacht, etwa der benötigten Zeit. Ein Beispiel ist das „Problem des Handlungsreisenden“.5) Es ist ein klassisches kombinatorisches Optimierungsproblem: In einer Rundreise sind mehrere Orte mit möglichst kurzer Strecke zu erreichen, ohne einen Ort doppelt zu besuchen. Also ist der niedrigste Wert die beste Lösung.Dieses Beispiel gilt als Paradebeispiel für die Anwendung von Quantencomputern, weil die parallele Ausführung der meist komplexen Rechensequenzen hier zwangsläufig zu erheblicher Zeitersparnis führt. Folglich beobachten Logistikunternehmen die Entwicklung von Quantencomputern mit großem Interesse.6)<h2>Verschlüsselung und Sicherheit</h2>Dass die Fortschritte beim Quantencomputing ein Sicherheitsrisiko sein können, zeigt die regelmäßige Überwachung des Entwicklungsstands von Quantencomputern durch das Bundesamt für Sicherheit und Informationstechnik.7)Insbesondere die Datenverschlüsselung durch Primfaktorzerlegung ist in Gefahr, weil Quantencomputer sie möglicherweise entschlüsseln könnten. Aber auch dies lässt sich quantentechnisch lösen: durch Quantenkryptografie als eigene Disziplin ebenso wie durch komplexere Verschlüsselungsverfahren in der Post-Quantenkryptografie.8)<h2>Wirtschaftliche Chancen</h2>Alles in allem zeichnet sich ab, dass Quantentechniken und speziell das QC alle Wirtschaftsbereiche beeinflussen werden. Sich mit dem Einsatz und den sich daraus ergebenden Potenzialen zu befassen könnte die Innovationskraft der Wirtschaft sichern. Beispielsweise versprechen Simulationen atomarer Prozesse, dass sich Moleküleigenschaften und Syntheserouten effizienter berechnen lassen. Zudem würde dies Ressourcen schonen und wirtschaftliche Chancen für die Chemie- und Pharmaindustrie bringen.Die Zahl an Investitionsdeals zu Quantentechniken hat in den letzten Jahren zugenommen.9) Die Hauptinvestitionen wurden in den USA und – jedoch nicht durch Daten belegbar – in China getätigt. Damit Europa das Rennen um die Spitzenposition nicht verliert, bedarf es höherer Investitionen. Die Bundesregierung will Quantentechniken mit bis zu zwei Milliarden Euro fördern.10)In der Forschung sind Europa und vor allem Deutschland derzeit im internationalen Wettlauf mit den Vereinigten Staaten und China auf Augenhöhe, auch wenn die verfügbaren Fördermittel in Deutschland im Vergleich zu den USA und China eher gering ausfallen.<h2>Arbeiten mit dem Quantencomputer</h2>Die Quantenphysik und der Quantencomputer an sich sind zurzeit kaum wirtschaftlich bedeutend, ihr disruptives Potenzial ist aber vorausgesagt.11) Eine Hürde für die industrielle Anwendung ist, dass die in der Forschung bearbeiteten Probleme noch zu weit von industriellen Anwendungen entfernt sind. Weitere Hürden sind Hardwarerestriktionen wie die Zahl an QBits, die maximal zur Verfügung stehen.Wie würde der Arbeitsalltag in einem Unternehmen mit Quantencomputern aussehen? Entgegen der Erwartung muss ein Unternehmen für den Einstieg ins QC nicht zwangsläufig einen Quantenphysiker oder spezialisierten Chipentwickler einstellen. Das Unternehmen kann seine Mitarbeiter auf die Anforderungen im Umgang mit Quantencomputern umschulen. Denn zurzeit steuern klassische Programmiersprachen Quantencomputer, sodass der Einstieg in das Thema wohl am besten mit einem Informatiker gelingt. Er müsste sich – zum Beispiel über Kurse an Universitäten – mit den Anforderungen und Prinzipien des QC befassen.<figure><img src="https://media.graphcms.com/gepcZ60QOmnodDAW39NI"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Arbeiten mit einem Quantencomputer: Ein Problem wird auf einem klassischen Computer programmiert. Das am besten zur Berechnung geeignete System wird gewählt (Fragezeichen). Das Programm wird auf das entsprechende System übertragen und im Quantenprozessor (roter Kreis) berechnet. Das Ergebnis wird auf dem klassischen Computer ausgewertet und interpretiert. Grafik: Köster</figcaption></figure>
Ein Unternehmen muss nicht in kostspielige Infrastruktur investieren. Es benötigt keinen eigenen Quantencomputer, denn es gibt Anbieter, die cloudbasiert Rechenzeit auf ihren Quantencomputern anbieten. Dazu gehören die Konzerne D-Wave, Google und IBM. Die Quantencomputer sind zurzeit Individuallösungen und Einzelstücke. Deswegen ist eine allgemein gültige Kostenkalkulation derzeit nicht möglich. Es ist aber wegen der technischen Spezifikation und Betriebsbedingungen der Maschinen von hohen Anschaffungs- und Betriebskosten auszugehen. Eine Alternative ist das Anmieten von Rechenzeit auf bereits existierenden Quantencomputern. Die Kosten für gemietete Rechenzeit basieren auf individuellen Verträgen. So gibt es auch hier keine öffentlich bekannten Preisgefüge.Es gibt in Deutschland Anlaufstellen, die Rechenzeit auf Quantencomputern sowie technische Unterstützung und Beratung anbieten, etwa die Jülicher Nutzer-Infrastruktur für Quantencomputing (Juniq) im Supercomputing Center am Forschungszentrum Jülich. Diese cloudbasierte Lösung verringert Kosten für Anschaffung und Betrieb – es sind tiefe Temperaturen und Ultrahochvakuum nötig – und baut Hürden für Einstieg und Einsatz ab.12)<figure><img src="https://media.graphcms.com/4pQcIItQJOVc5owsvbKm"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Detail des Kryostaten, mit dem der Chip im Quantencomputer auf zehn Millikelvin gekühlt wird. Foto: Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach</figcaption></figure>
Die benötigte Rechenzeit für quantencomputergeeignete Probleme liegt bei wenigen Sekunden oder Minuten. So wäre ein Quantencomputer nach heutigen Maßstäben in der Lage, die Probleme mehrerer Kunden ohne weiteres zu bewältigen. Und die Zeiten, in der ein eigener Quantencomputer nicht ausgelastet ist, wären nicht zu lang.Die Programmierung des Problems ist dagegen eine kleinere Herausforderung. Dies unterstreicht auf lange Sicht, dass Quanteninformatiker wichtig sind. Dass sich diese Anstrengungen lohnen, zeigen erste erfolgreiche quantenchemische Berechnungen. Zwar ist die Komplexität der Rechnungen noch gering und die Anwendbarkeit weit von der Lösung industrierelevanter Prozesse entfernt, dennoch ist das Potenzial dieser Technik für die Industrie nicht von der Hand zu weisen. Damit das Thema in Deutschland zu einem Erfolg werden kann, müssen alle Akteure kooperieren.Am wichtigsten für das Arbeiten mit dem Quantencomputer sind Neugier und Innovationswille, um die Potenziale zu erkennen und sich von anfänglichen Fehlschlägen nicht abschrecken zu lassen.<h2>AUF EINEN BLICK</h2>Quantencomputer lösen manche Berechnungsprobleme schneller als Digitalcomputer.Mit Quantenbits bearbeiten Rechner die möglichen Lösungen eines Problems gleichzeitig, statt wie bisher ein digitaler Computer nacheinander.Unternehmen müssen nicht unbedingt einen Quantenphysiker einstellen, um mit Quantencomputern zu arbeiten: Rechenzeit lässt sich mieten.<h2>Die Autoren</h2>Hendrik Köster (oben) ist Leiter PR &amp; Marketing beim Landescluster <a href="https://Nanomikrowerkstoffe.NRW" target="_blank">Nanomikrowerkstoffe.NRW</a> (<a href="https://NMWP.NRW" target="_blank">NMWP.NRW</a>) in Düsseldorf. Bei diesem Beitrag hat ihn der Chemiker Daniel Stadler unterstützt. Stadler leitet die Koordinierungsstelle <a href="https://Quantentechnologien.NRW" target="_blank">Quantentechnologien.NRW</a> (<a href="https://QT.NMWP.NRW" target="_blank">QT.NMWP.NRW</a>) in Düsseldorf.<div><img src="https://media.graphcms.com/4OPD2rl3SnOky8NgDwHl">

</div><div><img src="https://media.graphcms.com/EqAi3StnRU6UVZgoStEs">

</div><a href="mailto:daniel.stadler@nmwp.de">daniel.stadler@nmwp.de</a>Die Koordinierungsstelle ist dem Cluster <a href="https://NMWP.NRW" target="_blank">NMWP.NRW</a> zugeordnet. Sie identifiziert Chancen, Potenziale sowie Handlungsfelder im Bereich der Quantentechnologien für Nordrhein-Westfalen und bindet dabei alle Akteure ein. <a href="https://qt.nrw.de" target="_blank">qt.nrw.de</a>
<ul class="references"><li>
1 P. Benioff, J. Stat. Phys. 1980, 22, 563; R. P. Feynman, Int. J. Theor. Phys. 1982, 21, 467</li><li>
2 F. Arute, K. Arya, R. Babbush e al. Nature 2019, 574, 505</li><li>
3 <a href="https://bigdata-ai.fraunhofer.de/de/big-data/kuenstliche-intelligenz-und-maschinelles-lernen/quantum-ml.html" target="_blank">bigdata-ai.fraunhofer.de/de/big-data/kuenstliche-intelligenz-und-maschinelles-lernen/quantum-ml.html</a> (Stand: 22.01.2021)</li><li>
4 R. P. Feynman, Int. J. Theor. Phys. 1982, 21, 467</li><li>
5 J. Robinson, On the Hamiltonian game (a traveling salesman problem), Project Rand 1949 Santa Monica, CA: The Rand Corporation (RM-303)</li><li>
6 <a href="https://dhl.com/global-en/home/insights-and-innovation/insights/logistics-trend-radar.html" target="_blank">dhl.com/global-en/home/insights-and-innovation/insights/logistics-trend-radar.html</a> (Stand: 18.01.2021)</li><li>
7 <a href="https://bsi.bund.de/DE/Publikationen/Studien/Quantencomputer/quantencomputer_node.html" target="_blank">bsi.bund.de/DE/Publikationen/Studien/Quantencomputer/quantencomputer_node.html</a> (Stand: 22.01.2021)</li><li>
8 <a href="https://csrc.nist.gov/projects/post-quantum-cryptography" target="_blank">csrc.nist.gov/projects/post-quantum-cryptography</a> (Stand: 17.01.2021)</li><li>
9 E. Gibney, Nature 2019, 574, 22</li><li>
10 <a href="https://bundesregierung.de/breg-de/aktuelles/quantencomputing-1836542" target="_blank">bundesregierung.de/breg-de/aktuelles/quantencomputing-1836542</a> (Stand: 20.01.2021)</li><li>
11 <a href="https://bcg.com/de-de/publications/2020/how-financial-institutions-can-utilize-quantum-computing" target="_blank">bcg.com/de-de/publications/2020/how-financial-institutions-can-utilize-quantum-computing</a></li><li>
12 <a href="https://fz-juelich.de/ias/jsc/EN/Expertise/IndustryRelations/_node.html" target="_blank">fz-juelich.de/ias/jsc/EN/Expertise/IndustryRelations/_node.html</a></li></ul>

Meldung

Bioökonomie, Kohlendioxid und Klima

Überprüfung Ihres Anmeldestatus ...