20-Jahres-Prognose Werkstoffe im Quantencomputing, in der -sensorik und der -kommunikation

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Quantentechnologien gehören zu den am schnellsten wachsenden Deep-Tech-Märkten. Laut Idtechex wird die Leistungsfähigkeit und Skalierbarkeit jedoch durch Herausforderungen in den Bereichen Materialien, Komponenten und Fertigungsprozesse begrenzt. Analysten untersuchen, welche wichtigen Akteure und Dynamiken es in der Lieferkette für Supraleiter, Photonik, PICs, Nanomaterialien und Diamanten für Quantenanwendungen gibt.

Der Bericht „Materials for Quantum Technologies 2026-2046: Market, Trends, Players, Forecasts“ analysiert die Chancen und neuen Angeboten im Bereich der Materialien für Quantencomputing, Quantensensorik und Quantenkommunikation. Die Analysten von Idtechex schätzen das Gesamtmarktpotenzial für supraleitende Chips, Photonic Integrated Circuits (PICs) und Diamanten für Quantentechnologien bis voraussichtlich bis 2036 auf rund 3,38 Milliarden Dollar. Bis 2046 soll das Volumen etwa 18,9 Milliarden Dollar erreichen, bei einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 23,1 Prozent über den gesamten Prognosezeitraum.

Dabei ist nicht zu veschweigen, das die Quantentechnologiebranche vielfältig ist und sich durch eine breite Palette an Produkten und Geschäftsmodellen sowie eine weltweite Verteilung der Akteure auszeichnet, die von Spin-offs von Universitäten über Regierungen bis hin zu internationalen Konzernen reicht. IDtechex habe jedoch festgestellt, dass es in der gesamten Branche diverse Chancen für wichtige Materialplattformen gibt, die die Skalierbarkeit und letztlich die wirtschaftliche Tragfähigkeit der Quantentechnologie ermöglichen, heißt es in einer Mitteilung.

Diese Materialplattformen bilden die physikalische Grundlage der Quantensysteme, die genutzt werden, um den „Quantenvorteil“ in Produkten zu erschließen, sei es durch die Berechnung klassisch unlösbarer Probleme im Quantencomputing, durch die Erzielung um Größenordnungen höherer Empfindlichkeit bei Quantensensoren oder durch die Schaffung grundlegend sicherer kryptografischer Lösungen in der Quantenkommunikation.

Drei Quantenmärkte, drei zentrale Materialplattformen

Die Quantentechnologie wird üblicherweise in drei Kernproduktbereiche unterteilt: Quantencomputing, Quantensensorik und Quantenkommunikation. Aus materialtechnischer Sicht, so die Analysten, sei es jedoch aufschlussreicher, Quantentechnologien nach der physikalischen „Plattform“ oder dem Quantensystem zu kategorisieren, auf denen sie basieren. Dieser Ansatz hebt die Schnittstellen zwischen verschiedenen Produkten hervor, nicht anhand ihrer Anwendungen, sondern anhand der Materialien und Komponenten, die ihnen gemeinsam sind.

Die drei wichtigsten Materialplattformen für Quantentechnologien lassen sich demnach wie folgt zusammenfassen:

• Supraleitende Chips: Mikrofabrizierte elektrische Schaltungen aus supraleitenden Metallen oder Verbindungen, die auf Halbleiter-Wafern aufgebracht sind und Quanteneigenschaften aufweisen. Beispiele für Produkte sind Superconducting Quantum Interference Devices (SQUIDs) , Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors (SNSPDs) und supraleitende Qubit-Computer.

• Photonische Systeme: Optik und photonische integrierte Schaltungen (PICs) werden entweder zur Manipulation einzelner Photonen als Träger von Quanteninformation oder zur Untersuchung von Atom- und Defekt-Spin-Systemen eingesetzt. Die Photonik spielt eine zentrale Rolle bei Quantennetzwerken und photonischem Qubit-Quantencomputing, gewinnt aber auch zunehmend an Bedeutung für gefangene Ionen- und neutrale Atom-Qubits sowie für verschiedene Arten von Quantensensoren.

• Nanomaterialien und Diamanten: Punktdefekte in künstlichem Diamant werden zur Entwicklung kommerzieller Quantensensoren und -computer genutzt, ES zeichnen sich aus der Forschung aber nun auch eine Reihe von Möglichkeiten für Nanomaterialien wie Carbon Nanotubes (CNTs), Quantenpunkte und 2D/2,5D-Materialien ab.

In jedem Fall erstrecken sich diese Materialplattformen über die drei vertikalen Märkte der Quantentechnologie - Rechnen, Sensorik und Kommunikation. Somit können Technologien und Produkte aus verschiedenen Bereichen der Quantentechnologie häufig von denselben Materialinnovationen, Komponenten oder Fertigungskapazitäten profitieren, so die Analysten.

Chancen für die Photonik in der Quantentechnologie

Im öffentlich zugänglichen Teil des Reports greift Idtechex die Photonik heraus. Sie habe die klassische Informationstechnologie bereits revolutioniert: Transceiver auf Basis photonischer integrierter Schaltungen (PICs) ermöglichen Hochgeschwindigkeitskommunikation in KI-Rechenzentren in bisher unerreichtem Ausmaß.

Für Quantentechnologien haben PICs das Potenzial, optische Komponenten, die zuvor in einem Laboraufbau einen ganzen optischen Tisch eingenommen hätten, auf Chip-Größe zu verkleinern. Und das ist möglich bei gleichzeitiger Steigerung der Skalierbarkeit in der Fertigung und oft auch bei verbesserter Leistung durch die Beseitigung von Ausrichtungsfehlern.

Aber: Die Anforderungen an Quanten-PICs unterscheiden sich stark von denen anderer Anwendungen. Aufgrund der Empfindlichkeit von Quantensystemen weisen Quanten-PICs eine sehr geringe Toleranz gegenüber Verlusten auf. Um Systeme wie Atome und Punktdefekte in Diamanten anzusprechen, müssen sie zudem bei Wellenlängen arbeiten, die der traditionellen Telekommunikations- oder Datenkommunikationsindustrie fremd sind.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, erforschen Innovatoren im Bereich der Photonik Materialplattformen für photonische integrierte Schaltungen (PIC) jenseits von Silizium, wobei Siliziumnitrid (SiN), Dünnschicht-Lithiumniobat (TFLN) und Bariumtitanat (BTO) als Beispiele für aufstrebende Materialien in der Quantenphotonik-Branche gelten. Vorreiter bei diesen Materialien kommen sowohl aus der Quantenindustrie selbst, etwa von Psiquantum, Quix Quantum und Quantum Computing Inc (QCi) als auch von externen Foundries und Partnern.

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