Am Fraunhofer IAF wachsen in Reaktoren winzige Diamanten, die Großes leisten. Warum ausgerechnet Defekte im härtesten Material der Welt Quantencomputer voranbringen und Unternehmen sich schon heute damit beschäftigen sollten.
Asterix, Obelix, Miraculix, Cleanix – wer diese Namen hört, denkt unweigerlich an das kleine gallische Dorf, an Zaubertrank, Wildschwein und den Widerstand gegen die Römer. In Freiburg aber findet man sie in den Laboren des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF. Dort haben Wissenschaftler Reaktoren nach den unbeugsamen Comic-Helden benannt, weil deren Form an Hinkelsteine erinnert. Obelix würde sie garantiert mögen. In diesen Reaktoren wachsen hochreine Diamanten. Keine Edelsteine für exquisiten Schmuck, sondern hauchdünne, glasähnliche Werkstoffe für eine Technologie, die noch jung ist, aber als eine der großen Hoffnungen der digitalen Zukunft gilt: diamantbasiertes Quantencomputing. Das Fraunhofer IAF gilt bei der Entwicklung als einer der führenden Akteure deutschlandweit.
Neue Rechenwege
Quantencomputer faszinieren, weil sie anders rechnen als alles, was wir kennen. Klassische Computer arbeiten mit Bits, die eindeutig entweder den Zustand 0 oder 1 annehmen. Quantencomputer nutzen dagegen Qubits, die dank quantenmechanischer Effekte mehrere Zustände gleichzeitig annehmen können. Diese Überlagerung, Superposition genannt, und die sogenannte Verschränkung, bei der Qubits miteinander gekoppelt sind, eröffnen neue Rechenwege. Wichtig ist jedoch: Quantencomputer sind keine Universalrechner, die klassischen Computern generell überlegen wären. Sie arbeiten nicht grundsätzlich schneller, sondern anders. „Die Vorstellung, dass Quantencomputer klassische Rechner einfach ablösen werden, ist falsch“, stellt Florentin Reiter klar, Geschäftsfeldleiter Quantensysteme am Fraunhofer IAF. Ihren Vorteil – den viel zitierten Quantenvorteil – spielen sie nur bei ganz bestimmten Problemstellungen aus, etwa bei der Simulation von Molekülen oder bei hochkomplexen Optimierungsaufgaben. Für Textverarbeitung oder Buchhaltung bleibe dagegen der klassische Rechner aus heutiger Sicht alternativlos. Weltweit verfolgen Forschung und Industrie unterschiedliche technische Wege, um Quantencomputer zu realisieren. Supraleitende Qubits, wie sie etwa von IBM genutzt werden, benötigen aufwendige Kühlung bis knapp runter zum absoluten Nullpunkt. Ionenfallen, Silizium‑Quantenpunkte oder neutrale Atome haben auch ihre Stärken – und Schwächen. Einen klaren Sieger gibt es bislang nicht, denn keine Plattform ist heute schon fehlerarm und groß genug für den industriellen Einsatz. Genau in dieser offenen Situation liegt die Chance des diamantbasierten Quantencomputings.
Fraunhofer IAF
Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik in Freiburg ist führend in der Erforschung von Quantencomputing auf Basis von Diamant. Auf dem Käpsele-Innovation-Festival am 16. Juli in Freiburg wird das Institut mit einer Erlebnisstation vertreten sein. Dort werden nicht nur Technologien greifbar, auch ein hauseigener Quantencomputerchip wird zu sehen sein. Hier gibt’s mehr Infos.
Wenn Defekte gewollt sind
Am IAF stehen dabei nicht die Diamanten an sich im Mittelpunkt, sondern winzige Defekte in ihrem Kristallgitter: Stickstoff‑Vakanz‑Zentren, sogenannte NV‑Zentren. „Dazu werden zwei Kohlenstoffatome durch ein Stickstoffatom ersetzt, wodurch eine Leerstelle im Kristallgitter des Diamanten entsteht, in die ein freies Elektron rutscht“, erklärt Rebekka Eberle, Leiterin der Gruppe Quantensystem Engineering. Dieser gezielte Fehler macht den Diamanten quantenmechanisch interessant, denn das NV‑Zentrum kann als Qubit genutzt und über Laser ausgelesen werden. „Den Diamanten selbst braucht man eigentlich nicht, sondern das NV‑Zentrum im Diamanten. Der Diamant ist aber das ideale Zuhause dafür“, sagt Eberle. Er ist stabil, transparent, hervorragend wärmeleitfähig und ein Festkörper. Alles, was einmal eingebracht ist, bleibt genau dort.
Ein entscheidender Vorteil der diamantbasierten Quantensysteme: Sie funktionieren grundsätzlich bei Raumtemperatur, während andere Quantencomputer ganze Räume füllen, weil sie extreme Kühlung benötigen. Das erlaubt kompakte Bauformen, die eher an ein klassisches Server‑Rack erinnern als an ein Kryolabor. Dieses Argument gewinnt an Bedeutung, je stärker Quanten- und klassische Rechner künftig zusammenarbeiten. Am IAF steht bereits ein solcher Quantencomputer eines australisch-deutschen Start-ups, das am Freiburger Institut beheimatet ist. Auf diesem können Projektpartner und Kunden ihre Algorithmen testen. Perfekt ist er nicht – kein heutiger Quantencomputer ist es. Doch über spezielle Algorithmen lassen sich Fehler charakterisieren und kompensieren. Auch daran forschen die Freiburger Wissenschaftler intensiv, so Eberle.
Wo also wird Quantencomputing künftig eine Rolle spielen? Überall dort, wo klassische Rechner an ihre Grenzen stoßen. In der Chemie und Materialforschung etwa, wenn es um die realistische Simulation von Molekülen geht, sei es für neue Arzneimittel, effizientere Katalysatoren oder leichtere Werkstoffe im Automobil- und Flugzeugbau. Oder in der Logistik und Energieversorgung, wo unzählbar viele Varianten optimal durchforstet werden müssen. Oder im maschinellen Lernen und der Klassifikation von Patientendaten – ein Thema, an dem das IAF mit der Uniklinik Freiburg forscht.
All das passiert jedoch nicht von selbst. Die Bitkom‑Studie „Quantencomputing in der deutschen Wirtschaft 2026“ zeigt ein ambivalentes Bild: Zwei Drittel der Unternehmen sehen Quantencomputing als Chance, aber nur acht Prozent beschäftigen sich bereits intensiv damit. Viele warten ab, oft aus Mangel an Personal, Know‑how oder Zugang zu geeigneter Infrastruktur. Genau hier setzt das Fraunhofer IAF an. Mit dem „Inqubator“, dem industriellen Quantencomputing‑Beratungs‑ und Testzentrum, bietet das Institut Unternehmen einen niedrigschwelligen Einstieg. Gemeinsam mit Forschern werden konkrete Anwendungsfälle untersucht. Lukas Kübler, Leiter Marketing und Kommunikation, bringt es auf den Punkt: Ohne den engen Austausch mit der Industrie bestehe immer die Gefahr, „in eine Richtung zu entwickeln, die später niemand braucht“.
Am Ende bleibt die Botschaft: Während Quantensoftware schon sehr weit entwickelt ist und auch eingesetzt wird, befindet sich die Hardware noch im Grundstadium. „Der Durchbruch zur Skalierung steht noch aus, um wirklich einen Quantenvorteil zu haben“, sagt Kübler. Es kann aber jederzeit so weit sein. Wer sich heute vorbereitet, verschafft sich einen Wissensvorsprung. Denn: „Es ist denkbar, dass in 20 bis 30 Jahren Quantenmodule vielleicht sogar in unseren Handys auftauchen“, blickt Florentin Reiter in die Quanten-Zukunft. Daniela Santo
Ihre IHK-Ansprechpartnerin
Hülya Sevgin, Technologietransfermanagerin bei der IHK Südlicher Oberrhein, 07 61/ 38 58-2 67, huelya.sevgin@freiburg.ihk.de