Quantenbasierte und neuromorphe Technologien – als radikal neue Ansätze für Rechenleistung und Sensordesign, mit disruptivem Potenzial für eine Vielzahl von Anwendungsfeldern
Veröffentlicht im November 2025
Quantenbasierte und neuromorphe Technologien können hochpräzise und zugleich energieeffiziente Sensoren sowie neuartige Hardware für zukünftige Computersysteme hervorbringen. Sie vereinen modernste Prinzipien der Quantenmechanik und Spintronik bzw. neuronaler Netzwerke. Ziel ist es, neue Dimensionen in der Rechenleistung, im Sensordesign und in der Datenanalyse zu erschließen. Diese Technologien nutzen quantenmechanische Effekte oder – im Falle neuromorpher Chips – neuronale Strukturen, um Messungen auf Nanometerskala zu ermöglichen und dabei das Potenzial für radikale Leistungssteigerungen auszuschöpfen. In Thüringen treffen diese Entwicklungen auf ein starkes Ökosystem von Optik- und Photonikunternehmen, auf international renommierte Forschungseinrichtungen sowie auf eine innovationsfreundliche Netzwerkstruktur, die einen fruchtbaren Boden für diese zukunftsweisenden Ansätze bieten könnten.
Der Stand der Forschung zeigt bereits vielversprechende Beispiele. So ermöglicht der Diamant-Quantensensoren für hochsensitive NMR-Spektroskopie die präzise Analyse von Stoffwechselprozessen auf Molekülebene, während spintronische Sensoren Magnetfelder im Femtotesla-Bereich detektieren können. Supraleitende Josephson-Neuronen dienen als Grundlage für energieeffiziente neuromorphe Datenverarbeitung, und 2D-Materialien wie Graphen steigern die Leistungsfähigkeit elektronischer Bauelemente. Diese Technologien bilden die Grundlage für disruptive Innovationssprünge in verschiedensten Anwendungsfeldern.
Mit Blick auf die Chancen bieten sowohl quantenbasierte als auch neuromorphe Technologien ein großes Potenzial für die Entstehung neuer Wertschöpfungsketten und die Entwicklung völlig neuartiger Produkte und Dienstleistungen. Durch die Integration dieser Technologien könnten Thüringer Unternehmen neue Märkte erschließen und sich als Hightech-Anbieter im internationalen Wettbewerb positionieren. Die enge Verzahnung von Spitzenforschung und Industrie eröffnet auch Chancen für innovative Gründungen, insbesondere im KMU- und Start-up-Bereich, während gleichzeitig der Ausbau wissenschaftlicher Exzellenz den Standort für Fachkräfte weltweit sichtbar und attraktiv macht. Nicht zuletzt versprechen quantenbasierte Sensorsysteme auch neue Anwendungen im Umwelt- und Ressourcenschutz, bspw. für präzisere Umweltmonitoring-Lösungen.
Für die qualitative Analyse des Trends wurde die Annahme zugrunde gelegt, dass Thüringen mit Expertise in Supraleitungen und QPiC zur Entwicklung der nächsten Computergeneration beiträgt und sich als Zentrum der Quanten-Sensorik in den 2030er Jahren etabliert. Im Februar 2025 wurden im Rahmen eines Expertenworkshops mithilfe des Futures Wheels mögliche zentrale Entwicklungspfade des Trends identifiziert und unter Einsatz der Visual Roadmap ein Zukunftspfad entwickelt, der beschreibt, wie ein für den Innovationsstandort Thüringen positiver Zielpunkt im Jahr 2035 erreicht werden kann.
Ergebnisse des Futures Wheels
Im Rahmen des Futures Wheels wurde mit der Annahme gearbeitet: „Thüringen trägt mit Expertise in Supraleitungen und QPiC zur Entwicklung der nächsten Computergeneration bei und etabliert sich als Zentrum der Quanten-Sensorik in den 2030er Jahren.“ Ziel war es, auf Basis dieser Annahme den Möglichkeitsraum zukünftiger Entwicklungen systematisch zu erschließen. Dabei wurden vier zentrale Entwicklungspfade identifiziert, die unterschiedliche Potenziale und Herausforderungen für den Standort Thüringen aufzeigen. Diese vier Entwicklungspfade machen deutlich: Die Quantentechnologie bietet Thüringen nicht nur technologisches, sondern auch wirtschafts- und gesellschaftspolitisches Transformationspotenzial, vorausgesetzt, die strukturellen Voraussetzungen werden jetzt strategisch gestaltet.
Ergebnisse der Visual Roadmap
Im Rahmen der qualitativen Weiterentwicklung der im Futures Wheel gewonnenen Erkenntnisse zur Annahme eines relevanten Beitrags Thüringens zur Weiterentwicklung der Quantentechnologie wurden von den Experten fünf Geschäftsmodelle identifiziert, mit denen im Jahr 2035 voraussichtlich wirtschaftlicher Erfolg generiert werden kann. Die Visual Roadmap zeigt den Zusammenhang zwischen Anwendungen und Geschäftsmodellen, erforderlichen Technologien und gesellschaftlichen Rahmenbedingungen, die zur Erreichung eines für den Innovationsstandort positiven Zielpunkts erforderlich sind. Der Zeithorizont spannt sich von 2025 bis 2035.
Anwendungen und Geschäftsmodelle
| Entwickelte Geschäftsmodelle: | Produkte & Dienstleistungen: | 
| Quantencomputer-Rechenzentrum-as-a-Service Ein zukunftsweisendes Geschäftsmodell ergibt sich durch den Aufbau und Betrieb eines spezialisierten Quantencomputer-Rechenzentrums, das als As-a-Service-Modell betrieben wird. Es ermöglicht Forschungseinrichtungen, Start-ups und Unternehmen einen niederschwelligen Zugang zu quantenbasierter Rechenleistung, ohne eigene Hardware vorhalten zu müssen. Über standardisierte Schnittstellen kann die Rechenkapazität flexibel für verschiedenste Anwendungsbereiche genutzt werden, etwa Materialsimulation, Optimierungsaufgaben oder KI-gestützte Datenanalytik. Für Thüringen entsteht damit die Chance, sich als Standort für digitale Souveränität und hochspezialisierte Recheninfrastruktur zu positionieren.  | 
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| Materialanalytik-as-a-Service Ein skalierbares Geschäftsmodell liegt in der Bereitstellung hochpräziser Materialanalytik als Dienstleistung. Durch den Einsatz quantensensitiver Sensoriksysteme können chemische und physikalische Eigenschaften von Werkstoffen mit höchster Genauigkeit analysiert werden. Dies eröffnet neue Möglichkeiten in der Qualitätskontrolle, Umweltanalytik und medizinischen Diagnostik. Besonders für KMU entsteht ein Mehrwert durch den Zugang zu hochspezialisierten Analysekapazitäten, ohne eigene Labore aufbauen zu müssen. Thüringer Anbieter können sich hier als verlässliche Partner für produktionsbegleitende Analytik und Innovationsprojekte etablieren.  | 
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| Quantenbasierte Sensoriklösungen für spezialisierte Märkte Ein wachstumsstarkes Geschäftsmodell ergibt sich aus der Entwicklung und Vermarktung von quantenbasierten Sensorlösungen für spezifische industrielle und gesellschaftliche Anwendungsfelder. Diese umfassen etwa Sensorsysteme für die medizinische Diagnostik, Umweltüberwachung, Materialanalyse oder Instandhaltung komplexer Anlagen. Durch die Kombination von Messpräzision und Miniaturisierung adressieren solche Lösungen besonders Märkte mit hohen regulatorischen Anforderungen oder extremen Umweltbedingungen. Thüringen kann sich hier mit spezialisierten KMU und Start-ups als Anbieter technologisch führender Quantenlösungen in Nischenmärkten positionieren.  | 
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Rahmenbedingungen
Für die erfolgreiche Entwicklung und Markteinführung der antizipierten quantentechnologischen Geschäftsmodelle sowie der zugrunde liegenden Anwendungen und Technologien sind grundlegende strukturelle und strategische Voraussetzungen erforderlich: Kooperation mit Großunternehmen und Aufbau gemeinsamer Innovationsstrukturen: Ein zukunftsgerichtetes Innovationssystem im Bereich Quantentechnologien setzt auf belastbare Partnerschaften mit größeren Unternehmen. Joined-Labs mit industriellen Leitakteuren können den Transfer aus der Forschung in die Anwendung erheblich beschleunigen. Dabei sind großunternehmerische Beteiligungen nicht nur für die Skalierung, sondern auch für die anschlussfähige Standardisierung und industrielle Implementierung unerlässlich. Innovationsförderung muss gezielt auch auf solche Allianzen ausgerichtet sein, um Wirkung zu entfalten. Bildung, Fachkräfteentwicklung und Sensibilisierung: Für die langfristige Innovationsfähigkeit ist ein qualifiziertes Fachkräfteangebot entscheidend. Hierzu braucht es Bildungs- und Weiterbildungsinitiativen, die gezielt Schule und Hochschule einbeziehen und auf die spezifischen Anforderungen der Quantentechnologien ausgerichtet sind. Frühzeitige Orientierung, technologische Grundbildung und praxisnahe Ausbildungsformate sind erforderlich, um die kommende Generation von Spezialistinnen und Spezialisten zu sichern. Forschungsinfrastruktur und Technologietransferzentren: Eine tragfähige Forschungs- und Entwicklungstätigkeit erfordert spezialisierte Infrastruktur. Dazu zählen Messmittel, Reinräume und hochpräzise Laborumgebungen. Um diese Ressourcen effizient zu nutzen, sollten zentrale Infrastrukturen für F&E etabliert und durch ein Innovations-Start-up-Zentrum ergänzt werden. Dieses übernimmt Funktionen der Orientierung, des Transfers sowie der gezielten Förderung technologiegetriebener Unternehmensgründungen. Nutzung bestehender Infrastrukturen durch Start-ups und KMU: Start-ups im Bereich Quanten- und Sensortechnologien benötigen Zugang zu hochspezialisierter Infrastruktur, ohne diese selbst bereitstellen zu müssen. Die Vermietung vorhandener Reinräume und Fertigungsanlagen an junge Unternehmen schafft eine wirtschaftlich tragfähige Brücke zwischen Forschung und Produktion. Gleichzeitig entstehen so frühzeitige Anwendungsräume für technologische Reifegrade. Systematische Vernetzung von Anwendern und Akteuren. Der Transfer von Quanteninnovationen in industrielle Wertschöpfungsketten erfordert ein starkes, interdisziplinäres Netzwerk. Die gezielte Vernetzung von Anwendern, Technologieträgern und Forschungseinrichtungen ermöglicht den kontinuierlichen Austausch über Bedarfe, Machbarkeit und Skalierbarkeit. Begleitend dazu sollte ein dediziertes Science- und Technologieforum für Quantentechnologien etabliert werden, das als Dialogplattform für Unternehmen, Wissenschaft, Gesellschaft und Politik dient.
Technologien
Für die erfolgreiche Entwicklung und Markteinführung der antizipierten Geschäftsmodelle und dazu gehöriger Produkte und Dienstleistungen sind folgende technologische Voraussetzungen erforderlich:
| Technologische Voraussetzung | Herausforderungen | 
|---|---|
| Materialanalytik und Miniaturisierung von Systemkomponenten Für hochspezialisierte Anwendungen in der Quanten- und Hochpräzisionstechnologie sind leistungsfähige Verfahren zur Materialanalytik erforderlich. Diese ermöglichen die detaillierte Charakterisierung neuer Werkstoffe sowie die Absicherung reproduzierbarer Materialeigenschaften im Herstellungsprozess. Parallel dazu erlaubt die Miniaturisierung von System- und Subsystemkomponenten eine Integration in kompakte, energieeffiziente Plattformen.  | Erfassung von Materialverhalten auf Nanoebene, Analyse bei extremen Umgebungsbedingungen, Kompatibilität mit weiteren Fertigungsprozessen. | 
| Halbleitertechnologie und Mikrofabrikation Die Weiterentwicklung der Halbleitertechnologie stellt eine zentrale Grundlage für die Skalierung neuer Quantensysteme dar. In Kombination mit fortgeschrittener Mikrofabrikation können präzise Bauelemente für integrierte Quantenplattformen realisiert werden.  | Reinraumproduktion mit hohen Qualitätsstandards, thermische Stabilität, Kompatibilität mit Photonik und Elektronik. | 
| Neue photonische Materialien und Substratherstellung Die Entwicklung neuartiger photonischer Materialien ermöglicht den gezielten Aufbau von Chipsystemen mit erweiterter Funktionalität, insbesondere für Lichtsteuerung, Modulation und Erkennung. Die dazugehörige Substratherstellung ist essenziell, um kontrollierte Wachstumsprozesse, mechanische Stabilität und Integrierbarkeit sicherzustellen.  | Reproduzierbarkeit der Materialeigenschaften, hohe optische Qualität, thermische Leitfähigkeit. | 
| 2D-Materialien und supraleitende Materialien Innovative 2D-Materialien wie Graphen sowie supraleitende Werkstoffe erschließen neue Anwendungsfelder für verlustfreie Signalübertragung, Sensorik und Quantenspeicher. Diese Materialien sind insbesondere für energieeffiziente Komponenten und neue Schaltprinzipien relevant.  | Prozessstabilität in der Fertigung, Integration in bestehende Architekturen, langfristige Materialverfügbarkeit. | 
| Lithiumniobat-Technologie für Autonomieanwendungen Lithiumniobat-Technologie für Autonomieanwendungen Lithiumniobat zählt zu den Schlüsselmaterialien für modulare Quantenbauelemente und optische Signalverarbeitung. Durch hohe Modulationseffizienz eignet sich das Material für Anwendungen in autonomen Systemen.  | kontrollierte Dotierung, Integration mit photonischen Plattformen, industrielle Skalierbarkeit. | 
| Integrierte diffraktive Chipsysteme Durch diffraktive Elemente lassen sich komplexe Lichtmanipulationen auf kompaktem Raum realisieren. Integrierte Chipsysteme mit solchen Funktionalitäten sind essenziell für Quantenkomponenten in Kommunikation und Sensorik.  | Präzisionsfertigung, thermische Stabilität, Alignment komplexer optischer Pfade. | 
| Neuromorphe Materialien und Technologien Für zukünftige KI-basierte und sensorisch dichte Systeme sind neuromorphe Materialien von zentraler Bedeutung. Sie erlauben die Nachbildung neuronaler Informationsverarbeitung auf Materialebene und eröffnen neue Wege in der Hardware-nahen KI-Entwicklung.  | Materialzuverlässigkeit unter Dauerbelastung, Interoperabilität mit klassischer Elektronik, limitierte Produktionsverfahren. | 
Wege in die Zukunft: Quanten-Sensorik als industrieller Hebel
Die Roadmap zeigt, wie Thüringen bis in die 2030er Jahre hinein seine Rolle als Zentrum der Quanten-Sensorik ausbauen und zur Entwicklung der nächsten Computergeneration beitragen kann. Im Zentrum stehen zwei komplementäre Innovationsstränge: Einerseits der Aufbau leistungsfähiger Hardware auf Basis von QPiC, neuromorphen Chips und Supraleitungstechnologien, andererseits die Entwicklung entsprechender Quanten-Software inklusive algorithmischer Steuerung, Systemarchitekturen und ethischer Rahmensetzungen. Die Verbindung beider Stränge eröffnet neue Potenziale in der Mensch-Technik-Interaktion, der medizinischen Diagnostik und industriellen Automatisierung. Vor diesem Hintergrund bietet sich die Entwicklung einer gezielten Exportförderstrategie für Quanten-Technologien an, die Unternehmen nicht nur bei der Internationalisierung unterstützt, sondern auch ihre Vernetzung mit globalen Märkten und Partnern stärkt. Dies könnte durch den Aufbau internationaler Partnerschaften und die Teilnahme an globalen Quanteninitiativen sowie durch die Bereitstellung spezialisierter Exportzentren für Quantenprodukte erfolgen. Parallel dazu sollte der Ausbau von Infrastruktur, insbesondere im Bereich Fachkräfteentwicklung und Digitalisierung von Verwaltungsprozessen, vorangetrieben werden, um die schnelle Skalierung von Quanten-Technologien zu unterstützen und ein langfristiges nachhaltiges Wachstum sicherzustellen.
Die technologische Wertschöpfung beginnt bei grundlegenden Schlüsseltechnologien wie photonischen Materialien, Halbleiterfertigung, 2D-Materialien, supraleitenden Werkstoffen und integrierten Chipsystemen. Darauf aufbauend entstehen neue Anwendungssysteme – insbesondere im Bereich kontextsensitiver Quanten-Sensorik für Umweltmonitoring, Instandhaltung, Sicherheit und Medizin. Plattformbasierte Systemintegration und der Aufbau einer robusten Zulieferlandschaft bilden die Grundlage für industrielle Skalierung. Neue Geschäftsmodelle entstehen unter anderem rund um Analyse-as-a-Service, modulare Systemlösungen sowie OEM-nahe Fertigung.
Um diese Potenziale zu realisieren, sind erhebliche infrastrukturelle Voraussetzungen zu schaffen. Notwendig sind unter anderem zusätzliche Reinräume, spezialisierte Messinfrastrukturen, Applikationszentren und Technologietestfelder. Gleichzeitig müssen systematische Transferpfade zwischen Wissenschaft und Wirtschaft gestärkt werden. Denkbar sind Innovationszentren, Start-up-Plattformen oder Deep-Tech-Inkubatoren. Kapitalgeber, clusterübergreifende Vernetzung und Wissenschaft-Praxis-Kopplungen werden zu strategischen Hebeln für die Skalierung und Marktfähigkeit quantentechnologischer Lösungen. Dazu könnte die Landesregierung prüfen, inwiefern in Thüringen ein Quantum Health Lab ins Leben gerufen werden kann, das als Innovationszentrum für die Entwicklung und Validierung quantenbasierter Diagnoseverfahren dient. Dieses Zentrum könnte als Testumgebung für neue Technologien fungieren und somit die Zulassungsverfahren für neue medizinische Geräte beschleunigen. Die Schaffung eines interdisziplinären Netzwerks von Experten aus Medizin, Quantenphysik und regulatorischen Bereichen würde die nötige Expertise bündeln, um Thüringen als Vorreiter in der Quantenmedizin weltweit sichtbar zu machen.
Begleitend bedarf es wirtschaftspolitischer Maßnahmen, die Bürokratie abbauen, Investitionen erleichtern und eine gezielte Standortpolitik ermöglichen. Insbesondere mit Blick auf Flächenverfügbarkeit, Fachkräftebedarf und Willkommenskultur für internationale Talente, ist dies relevant. Nur durch eine ganzheitlich gedachte Steuerung – von der Grundlagenforschung bis zum Exportprodukt – kann verhindert werden, dass Ressourcenengpässe, fragmentierte Förderstrukturen oder starre Regularien das Wachstumspotenzial ausbremsen. Die gezielte Verzahnung zwischen etablierten Unternehmen, Start-ups und Forschungseinrichtungen ist dabei essenziell. In diesem Zusammenhang sollte die Landesregierung prüfen, ein Quantum Accelerator Program zu initiieren, das speziell auf die Förderung von Start-ups und Unternehmen im Bereich Quanten- und neuromorphe Systeme ausgerichtet ist. Ein solches Programm könnte durch gezielte finanzielle Förderungen, steuerliche Anreize und den Abbau bürokratischer Hürden Gründerinnen und Gründern die nötige Unterstützung bieten. Zusätzlich sollte ein Netzwerk von Innovationszentren und Tech-Inkubatoren geschaffen werden, die als Katalysatoren für technologische Entwicklung und Markteinführung fungieren. Dies würde nicht nur die Ansiedlung von Quanten-Tech-Unternehmen begünstigen, sondern auch den Weg für die Entstehung neuer Wertschöpfungsketten ebnen.
Langfristig kann sich Thüringen mit dieser Entwicklung als international sichtbarer Technologiestandort positionieren, sowohl in spezialisierten Märkten wie der Quantenmedizin und Umweltsensorik als auch in Querschnittsfeldern wie Maschinenbau, Robotik und autonomer Mobilität. Die Visual Roadmap macht deutlich: Thüringen steht an der Schwelle, von punktuellen Kompetenzen zu einem strategisch vernetzten Quantenökosystem zu wachsen, vorausgesetzt, es gelingt, Infrastruktur, Talente, Kapital und Koordination in Einklang zu bringen.


