Welches Studienfach soll ich für eine Karriere im Quantencomputing wählen?

Denkst du über eine Karriere im Quantencomputing nach, bist dir aber unsicher, welchen akademischen Weg du einschlagen sollst? Quantencomputing ist ein weites Feld, das viele verschiedene Bereiche umfasst – von Quantenhardware und Algorithmen über Fehlerkorrektur bis hin zur Quanteninformationstheorie. In diesem Artikel beantworten wir dir die wichtigsten Fragen, die dir bei der Wahl deines Studienfachs und beim Start deiner Karriere im Quantencomputing helfen.

Was passt am besten zu dir:

Quanteninformationstheorie, Quantenhardware & Experimentelle Physik oder Quantensoftwareentwicklung?

Wenn du dich für die theoretische Seite interessierst, wie die Entwicklung von Quantenalgorithmen oder die Optimierung von Quantensystemen, solltest du dich mit der Quanteninformationstheorie beschäftigen. Dieser Bereich erfordert oft einen soliden Hintergrund in Physik und beinhaltet komplexe mathematische Modelle und Simulationen.
Bist du eher praktisch veranlagt und hast Interesse am Bau und Testen von Quanten-Hardware, könnte der Hardware- oder Experimentalbereich genau das Richtige für dich sein. Dieser Bereich umfasst Ingenieurwesen, Mikrofabrikation und viel Laborarbeit und ist ideal für dich, wenn du ein Händchen für praktische und technische Fähigkeiten hast.

Oder vielleicht interessierst du dich für die Programmierung und die Entwicklung von Software, die auf Quantencomputern läuft? Dann könnte die Software-Seite des Quantencomputings deine Berufung sein. Dieser Weg beinhaltet Programmieren, wissenschaftliches Rechnen sowie die Entwicklung von Tools und Anwendungen und ist ideal für dich, wenn du einen Hintergrund in Informatik hast.

Im Folgenden werden wir die drei verschiedenen Bereiche Quanteninformationstheorie, Quantenhardware & Experimentelle Physik sowie Quantensoftware- und Algorithmusentwicklung genauer beleuchten. Außerdem zeigen wir auf, welche Studiengänge dir in jedem dieser Bereiche den besten Start ermöglichen. Mit diesem Wissen kannst du eine fundierte Entscheidung darüber treffen, wie du deine Zukunft in diesem spannenden Feld gestalten möchtest.

1. Quanteninformationstheorie

Warum Quanteninformationstheorie als Studienfach wählen?

Es ist ideal für alle, die leidenschaftlich daran interessiert sind, die theoretischen Grundlagen moderner Technologien zu erforschen und von der Schnittstelle zwischen Quantenmechanik und Informationstheorie fasziniert sind.

Die Quanteninformationstheorie (QIT) ist ein Bereich, der Quantenmechanik mit Informationstheorie verbindet, um die Prinzipien von Quantensystemen zu verstehen und für die Verarbeitung und Übertragung von Informationen zu nutzen. Diese Übersicht wird die grundlegenden Konzepte, wichtigen Protokolle und bedeutenden Fortschritte in diesem Feld behandeln.

Was wirst du mit einer Karriere in der Quanteninformationstheorie machen?

Du wirst deine Zeit damit verbringen, mithilfe von Quantencomputing Lösungen für Herausforderungen zu entwickeln, an denen klassische Computer scheitern. Dazu gehört die Entwicklung neuer Algorithmen, das Verständnis der Grenzen von Quantensystemen und das Finden von Methoden zur Vermeidung von Fehlern in Quantenberechnungen.

Empfohlene Studienfächer:

• Die Physik: Das Herzstück der Quantentheorie ist natürlich die Physik. Ein Abschluss in Physik wird Ihnen eine solide Grundlage für das Verständnis der Konzepte der Quantenmechanik vermitteln. Das ist ein guter Anfang, wenn du die theoretische Seite der Dinge verstehen willst.
• Mathematik: Die Quanteninformationstheorie stützt sich stark auf komplexe mathematische Strukturen. Wenn Sie gerne abstrakte Probleme lösen und an Quantenalgorithmen arbeiten möchten, gibt Ihnen ein Mathematikstudium das nötige Rüstzeug, um die komplizierten Gleichungen zu manipulieren, die das Quantencomputing antreiben.
• Computerwissenschaft: Die traditionelle Informatik befasst sich zwar mit klassischen Computern, ist aber ein unverzichtbarer Ausgangspunkt für jeden, der sich mit Quantencomputern beschäftigen möchte. Wenn du lernst, wie klassische Algorithmen funktionieren, kannst du die Unterschiede verstehen, die Quantenalgorithmen mit sich bringen.

Empfohlene Master-Studiengänge für Quanteninformationstheorie:

In unserem letzten Artikel haben wir einige Institute in der DACH-Region erwähnt, die Quantenstudiengänge auf Masterebene anbieten. Zu den renommierten Instituten für Quanteninformationstheorie gehören die ETH Zürich, die EPFL, die Universität Wien, die Technische Universität München (TUM) und die Universität Innsbruck. Für weitere Informationen klicke hier.

Die Spezialisierung auf die Quanteninformationstheorie bietet vielfältige Karrieremöglichkeiten in verschiedenen Bereichen. Im akademischen Bereich haben Sie die Möglichkeit, sowohl theoretische als auch praktische Aspekte der Quanteninformation voranzutreiben und zur Forschung in den Bereichen Kryptographie, Quantencomputer-Algorithmen und Quantenkommunikation beizutragen. Diese Arbeit kann an Universitäten, Forschungsinstituten und nationalen Laboratorien, die sich mit Quantentechnologie beschäftigen, ausgeübt werden.

Du fragst dich, wie das im Arbeitsalltag aussieht?

Auf dem Gebiet der Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, QKD) konzentrieren sich Forscher und Ingenieure auf die Weiterentwicklung sicherer Kommunikationssysteme, die auf den Prinzipien der Quantenmechanik beruhen. Das Team von Terra Quantum zum Beispiel gab 2023 bekannt, dass es quantenverschlüsselte Daten mit mehr als dem 10.000-fachen des bisherigen Geschwindigkeitsrekords durch ein 1.032 Kilometer langes Glasfasernetz geschickt hat. Mehr dazu erfahren Sie hier. Ein weiterer prominenter Akteur ist die Zeilinger-Gruppe in Wien, Österreich, die vom Nobelpreisträger Anton Zeilinger geleitet wird. Diese Gruppe entwickelt innovative Anwendungen der Quantenphysik in der Quantenkommunikationstechnologie, um eine unknackbare Sicherheit bei der Datenübertragung zu gewährleisten. Wenn Sie mehr über ihre Arbeit erfahren möchten, besuchen Sie die Forschungsseite der Zeilinger-Gruppe.

2. Quanten-Hardware und Experimentalphysik

Warum Quantenhardware und Experimentalphysik als Studienfach wählen?

Diejenigen, die leidenschaftlich gerne physikalische Systeme bauen und mit ihnen experimentieren, um die Quantenmechanik in realen Geräten umzusetzen.

Quanten-Hardware und Experimentalphysik ist der Bereich, in dem Theorie auf praktische Arbeit trifft. Es geht um die Konstruktion und Optimierung von Quantensystemen wie Quantencomputern und -sensoren durch direktes Experimentieren und Engineering. Dieser Überblick behandelt die wichtigsten Hardware-Plattformen, experimentellen Techniken und technologischen Fortschritte auf diesem Gebiet.

Was wirst du mit einer Karriere in Quanten-Hardware und Experimentalphysik machen?

Zu deine Aufgaben zählen das Entwerfen und Bauen von Quanten-Hardware, von Quantenprozessoren bis hin zu Quantenkommunikationsgeräten. Dazu gehört die Arbeit mit Systemen wie supraleitenden Qubits, gefangenen Ionen oder photonischen Schaltkreisen sowie die Erforschung, wie man Quantenzustände für praktische Anwendungen steuern und manipulieren kann. Ein tiefes Verständnis der Quantenmechanik und Fachwissen in experimentellen Methoden sind unerlässlich, um die Grenzen der Quantentechnologien weiter zu verschieben.

Vielleicht hast du auch die Möglichkeit, an hybriden Systemen zu arbeiten, die klassische und Quanten-Ressourcen zusammenführen und so die heutigen Rechenzentren und IT-Infrastrukturen verändern. Diese Setups, wie die, die vom Team bei QMware entwickelt werden, beschleunigen die frühen Fortschritte bei Quantenanwendungen, indem sie die Stärken beider Welten nutzen. Lesen Sie hier mehr über die Zusammenarbeit zwischen Oracle, NVIDIA und QMware. Dieser Ansatz gibt Ihnen die Möglichkeit, zur Entwicklung praktischer Lösungen beizutragen, die die Grenzen der Integration von Quanten- und klassischem Computing erweitern.

Empfohlene Studienfächer:

• Physik: Ein Hintergrund in Experimentalphysik, mit Schwerpunkt auf kondensierter Materie oder Atomphysik, ist für die Arbeit mit Quantensystemen von Vorteil. Theoretische Kenntnisse der Quantenmechanik in Kombination mit experimentellen Fähigkeiten sind entscheidend für das Verständnis des Verhaltens von Quantenteilchen in verschiedenen Umgebungen. Physiker stehen oft an vorderster Front bei der Entwicklung neuer Quantenalgorithmen und testen die Machbarkeit der Implementierung von Quantensystemen auf verschiedenen Plattformen wie supraleitenden Schaltkreisen, Ionenfallen oder photonischen Systemen.
• Materialwissenschaft: Die Kenntnis von Materialeigenschaften und Herstellungstechniken kann für die Entwicklung neuer Quantenmaterialien von Vorteil sein. Die Materialwissenschaft spielt eine zentrale Rolle in der Quantenhardware, da die Leistung von Quantengeräten stark von den Materialien abhängt, aus denen sie hergestellt werden. Dieser Studiengang konzentriert sich auf die Eigenschaften von Materialien auf atomarer und molekularer Ebene, insbesondere in Bereichen wie Supraleitung, Halbleiterphysik und Nanotechnologie. Durch das Verständnis von Herstellungstechniken wie Dünnschichtabscheidung, Nanofabrikation und Kryogenik werden Sie in der Lage sein, Materialien zu entwickeln, die Quantenzustände über lange Zeiträume aufrechterhalten können.

Empfohlene Master-Studiengänge für Quanteninformationstheorie:

Mehrere Spitzeninstitute in der DACH-Region bieten ausgezeichnete Masterstudiengänge an. In Deutschland bietet die Technische Universität München (TUM) einen Master of Science in Quantum Science & Technology an, die Ludwig-Maximilians-Universität München und die Universität Stuttgart bieten einen Master of Science in Physik mit Schwerpunkt Quantentechnologien an. In Österreich bietet die Universität Wien einen Master of Science in Quantenphysik an. Weitere Einzelheiten finden sich in unserem ersten Artikel der Quantenkarriere-Serie.

Du fragst dich, wie das im Arbeitsalltag aussieht?

Auf dem Gebiet der Quanten-Hardware werden verschiedene Ansätze aktiv erforscht und entwickelt. Unternehmen wie AQT (Alpine Quantum Technologies) konzentrieren sich beispielsweise auf die Entwicklung skalierbarer Quantenprozessoren mit Hilfe der Trapped-Ion-Technologie. Ein weiteres führendes Unternehmen ist unser Partner QuEra, der komplexe Probleme löst, indem er sie auf die flexible programmierbare Geometrie von 256 neutralen Atomen abbildet. Microsoft wiederum versucht, Qubits mit einer Größe von weniger als 10 Mikrometern zu bauen, so dass mehr als eine Million auf einen einzigen Chip passen, was eine Einmodulmaschine von praktischer Größe ermöglicht.

3. Entwicklung von Quantensoftware und Algorithmen

Warum Quantum Software and Algorithm Development als Hauptfach wählen?

Wenn dein Interesse darin liegt, Softwareanwendungen und Algorithmen zu entwickeln, die die Prinzipien von Quantencomputern nutzen, dann könnte dies der richtige Weg für dich sein.

Was mit einer Karriere in der Entwicklung von Quanten-Software und Algorithmen machen?

Bei der Entwicklung von Quantensoftware und -algorithmen liegt der Schwerpunkt auf dem Entwurf und der Implementierung von Algorithmen, die die Rechenleistung von Quantensystemen nutzen. Dies erfordert ein tiefes Verständnis sowohl der Quantenmechanik als auch der klassischen Computerwissenschaft. Die Aufgaben umfassen die Entwicklung von Quantenalgorithmen, die bestimmte Probleme effizienter lösen als klassische Methoden, wie z.B. Quantenalgorithmen für maschinelles Lernen, die KI und Datenverarbeitung verbessern. Darüber hinaus arbeiten Sie mit Quantenprogrammiersprachen wie Qiskit oder Cirq, programmieren Quantenschaltungen zur Ausführung von Aufgaben und entwickeln Strategien zur Fehlerminderung, um Quantenberechnungen zu verbessern. Hybride quantenklassische Algorithmen, wie z.B. Variationsquantenalgorithmen (VQA), sind ebenfalls ein wichtiger Bereich, der die Stärken von Quanten- und klassischen Systemen für Anwendungen in Bereichen wie Chemie, Optimierung und maschinelles Lernen kombiniert.

Empfohlene Studienfächer:

• Physik: Während sich die Entwicklung von Quantensoftware auf die Programmierung konzentriert, ist ein solides Verständnis der Quantenmechanik sehr wichtig, um zu verstehen, wie sich Quantencomputer von klassischen Systemen unterscheiden. Ein Physikstudium bietet Einblicke in das Verhalten von Qubits, Verschränkung, Überlagerung und Quantengattern – Konzepte, die das Design von Quantenalgorithmen beeinflussen. Die Vertrautheit mit der Quantentheorie hilft auch, die Kluft zwischen theoretischen Ideen und ihrer praktischen Umsetzung auf Quantenhardware zu überbrücken.
• Mathematik: Ein fundierter Hintergrund in Mathematik, insbesondere in linearer Algebra, Gruppentheorie, Wahrscheinlichkeitsrechnung und numerischen Methoden, ist für die Entwicklung von Quantensoftware unerlässlich. Die lineare Algebra bildet das Rückgrat der Quantenmechanik. Konzepte wie Vektorräume, Eigenwerte und Matrixoperationen sind grundlegend für das Verständnis der Funktionsweise und Interaktion von Qubits. Mathematische Strenge hilft bei der Entwicklung und Analyse von Quantenalgorithmen und -protokollen, die Präzision und abstraktes Denken erfordern.
• Computerwissenschaften: Eine andere Möglichkeit ist, sich für Informatik zu entscheiden, sich aber im Rahmen Ihres Studiums auf ein Quantenprogramm zu spezialisieren. Sie werden vielleicht nicht in die Tiefe der Quantenmechanik eindringen, aber Sie werden eine solide Grundlage in Programmierung, Datenstrukturen, Algorithmen und Komplexitätstheorie erlernen, um Quantenprogramme zu schreiben und Quantenschaltungen zu optimieren. Kenntnisse über paralleles Rechnen und verteilte Systeme sind ebenfalls hilfreich, wenn Sie erforschen, wie klassische und Quantensysteme in hybriden quantenklassischen Algorithmen zusammenarbeiten können.

Du fragst dich, wie das im Arbeitsalltag aussieht?

Mit den Fortschritten der Quanten-Hardware steigt auch die Nachfrage nach qualifizierten Entwicklern von Quanten-Software. Zwei prominente Akteure in diesem Bereich, Terra Quantum und QuEra, konzentrieren sich auf die Entwicklung praktischer Anwendungen und die Bewältigung realer Herausforderungen. Eines von vielen Beispielen ist die Entwicklung eines bahnbrechenden hybriden neuronalen Quantennetzwerks (HQNN) für die Vorhersage des Ansprechens auf Medikamente. Dieser innovative Ansatz kombiniert die Leistungsfähigkeit von Quantencomputern mit klassischen neuronalen Netzen, um die Genauigkeit und Effizienz von Arzneimittelentdeckungsprozessen zu verbessern. QuEra, das eine Partnerschaft mit QMware eingeht, hat Algorithmen entwickelt, die zur Lösung komplexer Optimierungsprobleme eingesetzt werden können, wie sie in der Logistik, im Finanzwesen und beim maschinellen Lernen vorkommen.

Wir hoffen, dass dir dieser Leitfaden dabei hilft, deine Optionen klarer zu sehen und dich dazu inspiriert, deiner Leidenschaft für Quantencomputing nachzugehen. Für weitere Details zu speziellen Studiengängen und Karrieremöglichkeiten bleib dran und entdecke weiter die spannende Welt der Quantentechnologie.