|BMBF-Fördermaßnahme〉 Quantum aktiv – intuitive Outreachkonzepte für die Quantentechnologien

Das Ziel der Fördermaßnahme „Quantum aktiv – intuitive Outreachkonzepte für die Quantentechnologien“ des BMBF ist es, moderne und anwendungsrelevante Quantentechnologien in der Breite der Bevölkerung verstehbar und erlebbar zu machen.

Das |QBN〉 unterstützt gerne entsprechende Projekte und deren Verwertung.

Nachfolgend ein Auszug aus der Bekanntmachung:

Ziel und Zweck der Förderung

Unsere Welt besteht aus Quanten. Schon heute werden alltäglich Quantentechnologien der ersten Generation verwendet, z. B. Computer, Datennetze und medizinische Bildgebung. Bauteile wie Transistoren, Dioden und Laser nutzen Prinzipien der Quantenphysik. Für die Quantentechnologien der zweiten Generation spielt die Kontrolle von Effekten wie die Überlagerung (Superposition) von Zuständen und die Verschränkung von Quantenzuständen eine wichtige Rolle. Beispiele für Anwendungen der Quantentechnologien der zweiten Generation sind sehr viel genauere Mess­geräte, eine stark erhöhte Sicherheit bei der Datenkommunikation oder deutlich leistungsfähigere Computer.

Viele Menschen in Deutschland haben bereits auf einem abstrakten Niveau von dem Gedankenexperiment „Schrödingers Katze“ gehört. Sie wünschen sich jedoch eine praktischere Vorstellung von konkreten Anwendungen und Vorteilen gegenüber etablierten Technologien – ohne dabei in einen mathematischen Formalismus eintauchen zu müssen.

Da neue Technologien in aller Regel mit Chancen zum gesellschaftlichen Fortschritt sowie spezifischen Herausforderungen einhergehen, sollten Bürgerinnen und Bürger frühzeitig entsprechend sensibilisiert werden. Ziel ist, die Potenziale der Quantentechnologien für Wirtschaft und Gesellschaft und Verständnis für die Technologie zu vermitteln. Dieses Wissen ist auch von Bedeutung, um dem drohenden Fachkräftemangel bei diesen zukünftigen Schlüsseltechnologien frühzeitig entgegenzuwirken. Zum einen liefert ein breites öffentliches Interesse die Grundlage für gezielte Nachwuchsförderung im wissenschaftlichen Bereich. Zum anderen führt ein allgemeinverständlicher Zugang zu Quantentechnologien zu sozialen Innovationsprozessen. Erste erfolgreiche Beispiele zeigen, dass die Einführung in die Quantentechnologien in der Schule, in der Berufsqualifikation und in den Museen beginnen kann.

Mit der Fördermaßnahme „Quantum aktiv – intuitive Outreachkonzepte für die Quantentechnologien“ verfolgt das BMBF das Ziel, Quantentechnologien möglichst vielen Menschen näherzubringen und begreifbar zu machen. Insbesondere soll ein kreativer und involvierender Zugang zu dieser Zukunftstechnologie ermöglicht werden.

Die Fördermaßnahme ist Bestandteil des Rahmenprogramms „Quantentechnologien – von den Grundlagen zum Markt“ (https://www.quantentechnologien.de/) und damit Teil der Hightech-Strategie der Bundesregierung.

Gegenstand der Förderung

Im Zentrum dieser Fördermaßnahme stehen Didaktik- und Outreachprojekte, die möglichst vielen Menschen einen niederschwelligen Zugang zu Wissen über und eigenen Erfahrungen mit modernen Quantentechnologien bieten.

Thematisch können sich die Projekte beispielhaft auf die folgenden Themengebiete fokussieren:

Quantencomputer und -simulation

Quantencomputer funktionieren prinzipiell anders als herkömmliche, digitale Rechner. Ihre kleinsten Recheneinheiten, die „Quantum Bits“ (Qubits), können alle Zustände zwischen Eins und Null einnehmen und zwar gleichzeitig. Man spricht von Überlagerung (Superposition). Sind die Qubits zudem miteinander verschränkt, können Quantencomputer spezifische Aufgaben sehr viel schneller lösen als Digitalcomputer, z. B. bei der Erforschung neuer Materialien oder der Zusammensetzung pharmazeutischer Werkstoffe.

Quantenkommunikation

Bei der Quantenkommunikation steht die Abhörsicherheit im Vordergrund. Zur sicheren Datenübertragung nutzt die Quantenkommunikation Quanteneffekte wie Superposition oder Verschränkung. Quantenkommunikationsprotokolle können einzelne Photonen zur Übertragung nutzen. Diese können sich in einem Überlagerungszustand (Superposition) unterschiedlicher Polarisationszustände befinden und erst beim Durchqueren eines Filters auf der Empfängerseite in einen definierten Polarisationszustand übergehen. Dies geschieht zufällig aber nach statistischen Wahrscheinlich­keiten, die nur Sender und Empfänger kennen. Hört ein Dritter mit, ändert sich beim eigentlichen Empfänger diese gemessene Wahrscheinlichkeitsverteilung und ein Abhörversuch wird erkannt.

Beim Effekt der Verschränkung wiederum werden beispielsweise Photonenpaare erzeugt. Die Photonen dienen als Schlüssel. Trennt man sie, bleiben sie miteinander verbunden – egal, wie weit sie voneinander entfernt sind. Die Beobachtung des einen Photons beeinflusst den Zustand des anderen, sofort und über eine beliebig große Entfernung hinweg. Auf diese Weise lässt sich feststellen, ob eines der beiden Photonen bereits einmal gemessen wurde. Wenn ja, bedeutet das, dass die Verbindung z. B. abgehört wurde. Denn Störungen der Quantenzustände werden unweigerlich als Fehler in der Übertragung festgestellt und decken den Lauschangriff auf. Der Vorteil: Im Unterschied zu gebräuchlichen Verschlüsselungsverfahren beruht die Sicherheit hier auf einem physikalischen Naturgesetz, das nicht über­wunden werden kann.

Quantenbasierte Messtechnik

Quantenbasierte Messtechnik ermöglicht eine beispiellose Genauigkeit. Mit Quantensystemen lassen sich etwa Druck, Temperatur, Position, Zeit, Geschwindigkeit, Beschleunigung, elektrische und magnetische Felder oder die Gravitation extrem präzise messen. Atomuhren auf der Basis atomarer Quantenzustände dienen bereits seit Jahrzehnten als Zeitreferenz für Präzisionsmessungen, wie bei dem Global Positioning System (GPS) zur Navigation. Als „Taktgeber“ könnten extrem genaue Uhren Kommunikationsnetze und Internetanbindungen deutlich leistungsfähiger machen.

Grundsätzlich ist eine Förderung von Einzelvorhaben vorgesehen.

Die Vorhaben sollen im Wesentlichen die folgenden drei Aspekte umfassen:

I. Eine didaktische Aufbereitung des Themas

Didaktiker und Fachexperten sollen im gegenseitigen Austausch ein Thema der Quantentechnologien für eine möglichst breite Zielgruppe so aufbereiten, dass eine Vorstellung von technologisch-wissenschaftlichen Prinzipien und Effekten, von konkreten Anwendungen und von konkreten Vorteilen gegenüber etablierten Technologien sowie von gesellschaftlichen Chancen und Herausforderungen verstehbar und erfahrbar wird. Auf die jeweilige Zielgruppe angepasst, soll hierbei ein zu akademischer, mathematischer Formalismus nach Möglichkeit vermieden werden oder aber die Zielgruppe bedarfsgerecht langsam an diesen herangeführt werden.

II. Ein Umsetzungskonzept

Das entsprechend aufbereitete Thema soll in einer konkreten Umsetzungsform aufbereitet werden (Spiel, Wett­bewerb, Lernprogramm, Baukasten, Tutorial, etc.). Hierzu sollen Kooperationen mit geeigneten Experten aus beispielsweise den Bereichen: Kommunikation, Veranstaltungen, (Print-) Medien, Social Media, Museen, Vereinen o. Ä. eingegangen werden, die mit der medialen und veranstalterischen Aufbereitung und Umsetzung entsprechender Maßnahmen vertraut sind.

III. Demonstration der Umsetzung des Konzepts

Das Konzept soll am Ende des Vorhabens an/mit einer Beispielzielgruppe (z. B. Schülergruppe, Studentengruppe, Onlinecommunity, Bürgergruppe o. Ä.) durchgeführt und demonstriert werden.

Projekte können beispielhaft sein:

• Wettbewerbe
  • innerhalb definierter (vom Antragsteller zu erarbeitender) wissenschaftlich technischer Umgebung z. B.
    • vorgegebene Softwareumgebung zur Simulation, Erarbeiten und Durchführen einfacher Quantenalgorithmen, z. B. „Sortier“-Wettbewerb,
    • Quantenkryptographie mit vorgegebenem (kostengünstigem) Set aus Sender, Empfänger, Polarisatoren und Glasfasern,
    • Quantenmesstechnik mit vorgegebener (kostengünstiger) Hardware (Welcher experimentelle Aufbau vermisst Ströme, Magnetfelder o. Ä. am genauesten oder effizientesten);
  • freie Wettbewerbskonzepte in nicht oder nicht streng vorgegebenen wissenschaftlichen oder technischen Umgebungen;
• kostengünstige Experimentiersets, Klassensätze oder Lerninfrastruktur für Schüler AGs;
• Lehr- und Lernsoftware sowie Apps;
• didaktisch aufbereitete physische Demonstratoren und Exponate;
• frei zugängliche Lehr- und Lernhefte, Bücher, Broschüren, Visualisierungen, Animationen, Applets, Podcasts, Videoblogs, MOOCs (Massive Open Online Course bzw. offener Massen-Online-Kurs);
• Metaprojekte, die vorhandene Projekte und Materialien bündeln, aufbereiten und orchestrieren, beispielsweise in Form einer Wanderausstellung.

Die Projekte sollen einen möglichst hohen Grad fachlicher Qualität und Anschaulichkeit im Sinne eines adressaten­gerechten Zugangs besitzen und sich von gegebenenfalls bereits existierenden ähnlichen Projekten hinreichend abgrenzen. Ein hoher Grad an Aktivierung und/oder Involvierung der jeweiligen Zielgruppe ist anzustreben.

Weiter Infos finden Sie in der Bekanntmachung.

Einreichungsfrist: durchgehend bis 20. Dezember 2019.