Quantum technologies – the second quantum revolution in Switzerland
Quantum technologies have the potential to deeply impact our industry and society. Using unique features of the quantum world, they allow for secure communication, new and ground breaking ultra-high sensitivity sensors, and, probably, on a ten year time scale, quantum computing. The latter promises a major boost in computing power that could lead to the solution of complex simulation problems for example in chemistry, material science or logistics.
Switzerland is a key player in quantum technology with a very high level of contribution to the underpinning science. Swiss university spin-offs are pioneers in certain areas of quantum technology development and some have become international leaders in their field. A couple of recent start-ups are on a promising track to play an important international role in the near future. Overall, Switzerland is in a very good position to build up a viable quantum ecosystem. To go one step further and reap the real benefits of the “second quantum revolution”, it is important to grow the science base across the entire Swiss research sector, to facilitate the formation of new companies, to retain talent in Switzerland, and to allow start-up companies in this very competitive field to access sophisticated equipment. These efforts should be complemented with larger national projects like for example the development of a nation-wide quantum secure communication network to the benefit of Swiss industry and society– not a dream, but something feasible today.
Empfehlungen des Schweizerischen Wissenschaftsrates SWR für die BFI-Botschaft 2021–2024
Analyse Zielkörper und Handlungsempfehlungen zuhanden des Bundes
3.1.1 Schweizer Quantentechnologien
Die Schweiz sollte die Entwicklung von Technologien stärken, die auf Quanteneffekten beruhen. Der SWR empfiehlt einen viergleisigen Ansatz, um die Wettbewerbsfähigkeit in diesem Sektor zu sichern und Wissenschaft, Technologieentwicklung und Innovation in spezialisierten Bereichen der Quantentechnologie (QT) voranzubringen. Die vier Elemente dieses Ansatzes sind: Ausbau der QTForschung; Investitionen in Talente; Förderung einer auf QT spezialisierten VentureCapitalGemeinschaft; Aufbau einer für die Forschung und Industrie zugänglichen QTInfrastruktur.
Die Digitalisierung wird in unserem Leben grosse Veränderungen bewirken, die auch in unserer Gesellschaft einen tiefgreifenden Wandel herbeiführen werden. Wir werden uns mit vielen Herausforderungen auseinandersetzen müssen: So wird es etwa entscheidend sein, über die für diese Entwicklungen zentralen Zukunftstechnologien zu verfügen, sie zu verstehen und selbst solche zu entwickeln. Quantentechnologien werden in zukünftigen Computer-, Kommunikations- und Sicherheitssystemen (zum Beispiel in der Cybersicherheit) ebenso wie in anderen Bereichen eine Schlüsselrolle spielen. Grundlagenforschung auf hohem Niveau hat in diesem Bereich in der Schweiz Tradition, und viele Forschungsgruppen befassen sich mit Quantenmaterialien, Quantenphysik und Quantenphänomenen. Weltweit sieht die aktuelle Situation wie folgt aus: Es gibt nationale Initiativen in grossen Ländern (zum Beispiel USA, China, Vereinigtes Königreich) und unterdessen auch in kleineren Ländern, die direkte Konkurrenten der Schweiz sind, wie beispielsweise Schweden. Einzelne grosse Unternehmen wie Google, Microsoft oder Intel investieren mehr als 100 Millionen Schweizer Franken, rekrutieren herausragende Talente von Universitäten und tätigen umfassende Investitionen in europäische Forschung (Delft, Kopenhagen). Weltweit konzentrieren sich Start-up-Unternehmen an der Ost- und Westküste der USA und in Kanada im Wesentlichen auf die Entwicklung von Computern, die auf der Josephson-Technologie basieren. Optische Quantentechnologien, die hauptsächlich für die Schlüsselverteilung und die Generierung von Zufallszahlen verwendet werden, sind bereits Realität: Die entsprechende Hardware wird verkauft, und gross angelegte wissenschaftliche Demonstratoren werden erstellt, die chinesische Satelliten nutzen. Das militärische Engagement für die nationale Sicherheit ist sehr gross, vor allem in Ländern wie den USA und China, die umfangreiche Internet- und Kommunikationsüberwachungen betreiben und über komplexe (nukleare) Waffenarsenale verfügen. Private Akteure wie IBM in den USA und wahrscheinlich Huawei in China werden von Staatsregierungen bezahlt, beauftragt und gefördert. Die EU lancierte ein FET-Flagship-Programm zur Quantentechnologie. Im Rahmen der Projektausschreibung vom November 2017 (Call for Research and Innovation Action) reichten auch Schweizer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erfolgreich Anträge ein.14 Die aktuelle Situation in der Schweiz ist die folgende: Mit der Abschaffung des Bankgeheimnisses verschob die Schweiz ihre Aufmerksamkeit auf Daten- und Transaktionssicherheit; heute ist das Interesse für rechenintensive Technologien wie Blockchain gross. Traditionelle Elektro- und Maschinenbauunternehmen wie ABB verlagerten ihren Fokus auf die Systemintegration, beispielsweise von Transportnetzwerken oder automatisierten Fabriken, die sichere Kontroll- und Berichtssysteme erfordern. Die Wissenschaft stieg 2008 mit dem Nationalen Forschungsschwerpunkt QSIT15, der auf der akademischen Ebene äusserst erfolgreich war, frühzeitig ein. Andere Gruppen und Fördersysteme trugen ebenfalls zu einer international wettbewerbsfähigen Schweizer Wissenschaft bei. Es gibt allerdings ein Start-up-Unternehmen im Bereich der optischen Quantentechnologie, ID-Quantique16, das bei Schweizer Investoren nicht auf Interesse gestossen ist, unterdessen aber chinesische und koreanische Investitionen erhalten hat. IBM ist aus der Geräteherstellung ausgestiegen, wodurch der langfristige Auftrag des IBM-Forschungslabors in Rüschlikon infrage gestellt ist. Dieses war ein traditioneller Partner von Schweizer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern im Bereich Physik und Geräte und ein Nährboden für Schweizer Spin-offs, die in für die IBM peripheren Bereichen aktiv sind. Ein Beispiel dafür ist die Rastersondenmikroskopie, die zur Entwicklung von Millipede und zur Gründung mehrerer kleiner und mittlerer Unternehmen (KMU) geführt hat. Derzeit besteht seitens der hiesigen Cybersicherheitsgemeinschaft17 kein offensichtliches Interesse in der Schweiz. Anders als die Hochschulen in Delft und Kopenhagen und ungeachtet ihres wissenschaftlichen Leistungsausweises erhalten die hiesigen Universitäten von Unternehmen kaum nennenswerte Investitionen. Zahlreiche Professorinnen und Professoren wandern vielleicht dauerhaft in die Industrie ab. (Der ETH ist es nicht gelungen, Professorinnen und Professoren für das Quantum-Engineering zu rekrutieren.)
Wie die Quantentechnologie in der Schweiz gestärkt werden kann: die Vormachtstellung in den Quantenwissenschaften bewahren, im Bereich Quantum-Engineering denselben Status erlangen wie in den Quantenwissenschaften, talentierte Nachwuchskräfte rekrutieren, die an Hochschulen und anderen herausragenden Institutionen ausgebildet werden, um das Quantum-Engineering weiterzuentwickeln und neue QT-Unternehmen zu schaffen, und ertragreiche Nischen in den Quantentechnologien, einschliesslich im Bereich der Cybersicherheit, identifizieren und entwickeln.
Handlungsempfehlungen
Dies sind die Empfehlungen und Massnahmen eines viergleisigen Ansatzes zur Stärkung der QT in der Schweiz durch ein Ökosystem, das auf die Bedürfnisse dieses Bereichs zugeschnitten ist. Dieser Ansatz sollte sich vor allem darauf konzentrieren, Menschen und deren Potenzial optimal zu fördern und zu nutzen durch:
Forschung: Bereitstellen von Mitteln und – aufgrund eines klar definierten Peer-Review-Verfahrens – Projekte auswählen, um paradigmatische Grundlagenforschung zur Unterstützung der Quantentechnologien fortzusetzen.
Talentförderung: Entwicklung eines neuen Karriereförderprogramms für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die in QT-intensiven Klein- und Grossunternehmen tätig sind. Dieses Karriereförderprogramm ist ausbaubar und nur durch den Talent-Pool begrenzt.18 Eine QT-Initiative könnte als Pilotprojekt dienen, um dieses neue Format zu testen, und bewirken, dass diese Art von Fellowship ein ebenso hohes Prestige erlangt wie eine akademische Laufbahn, die zu einer Professur führt. Doktorarbeiten im Zusammenhang mit Projekten in der QT-Industrie können dieses Ziel ebenfalls unterstützen.
Neue QT-Unternehmen: Schweizer Investoren sind risikoscheu, wenn es um QT geht. Ein Venture-Fonds oder eine Investoren-Gemeinschaft (zum Beispiel als Teil des neuen Swiss Entrepreneurs Foundation) für QT-Unternehmen in der sogenannten Valley-of-Death-Phase sollten gefördert werden. Dabei sollte die Due-Diligence-Prüfung erleichtert werden, falls die Jungunternehmerinnen und -unternehmer das oben erwähnte Karriereförderprogramm absolviert haben.
Infrastruktur: Kleine Unternehmen können sich zentrale Infrastrukturen nicht leisten (zum Beispiel E-Beam-Writer, hochleistungsfähige kryogene Testplattformen usw.). Solche Infrastrukturen müssen bereitgestellt werden, um gegenüber anderen Unternehmen (zum Beispiel im Vereinigten Königreich) wettbewerbsfähig zu bleiben. Schaffung einer gemeinsam genutzten Open-Access-Infrastruktur, die von Schweizer Universitäten, staatlichen Instituten oder Innovationsparks (zum Beispiel als eine Organisation nach Artikel 15 FIFG) gehostet wird.
14 Weitere Informationen siehe https://qt.eu/
15 http://www.nccrqsit.ethz.ch
16 https://www.idquantique.com
17 Der Präsident des SWR hat in einem Brief an die Departementsvorsteher des WBF, EFD und VBS im Juni 2018 vorgeschlagen, dass für Forschung im Bereich Cybersicherheit ein spezifisches Fördergefäss (jenseits der bestehenden Fördergefässe von SNF und Innosuisse) zur Verfügung gestellt werden sollte.
18 Allgemeiner ausgedrückt unterstützt der SWR eine grössere Flexibilität bei den Karriereverläufen, wobei individuelle Gender und Altersfaktoren berücksichtigt und die geografische oder akademischindustrielle Mobilität unterstützt werden sollten.