Der Weg zu 6G könnte mit Graphen gepflastert werden

Die Zukunft der drahtlosen Kommunikationstechnologie entwickelt sich rasant. Erst 2019 begannen globale Betreiber mit dem Rollout von 5G. Während 5G noch in der weltweiten Implementierung steckt, hat die Entwicklung von 6G bereits begonnen.

6G ist die sechste Generation der drahtlosen Technologie. Die erste Generation, 1G, kam in den 1980er Jahren und lieferte analoge Sprache. Dann wurde Anfang der 1990er Jahre 2G eingeführt, das digitale Sprache brachte und nicht nur die Sprachqualität, sondern auch die Akkulaufzeit und Netzwerksicherheit verbesserte.

Es folgte 3G Anfang der 2000er, das mobile Daten brachte und neue Möglichkeiten eröffnete, wie Videoanrufe und Multimedia-Messaging. Die vierte Generation, 4G, in den 2010er Jahren leitete das Zeitalter des mobilen Breitbandes mit reduzierter Latenz und höherer Bandbreite ein. Inzwischen erhöhte 5G die Geschwindigkeit weiter und unterstützt Anwendungen wie Augmented Reality (AR) und autonomes Fahren.

Jede neue Generation der drahtlosen Kommunikationstechnologie brachte neue Fähigkeiten mit sich, und das gilt auch für 6G.

Im Einklang mit dem Trend zu Innovationen und Verbesserungen in der drahtlosen Kommunikation wird 6G uns erhöhte Bandbreite und Geschwindigkeit, extrem niedrige Latenz und Zuverlässigkeit bringen. Mit dieser Technologie soll wirklich allgegenwärtige drahtlose Intelligenz und Kommunikation bereitgestellt werden.

Die neue Technologie wird dieselben Bausteine wie frühere Netze verwenden, wie Basisstationen, Router, Antennen usw., aber was sie anders macht, ist der Einsatz neuer Technologien, um die Fähigkeiten der drahtlosen Kommunikation weiter voranzutreiben.

Das bedeutet, dass 6G auf 5G aufbauen wird, um die Verbesserungen der aktuellen Technologie in der Netzwerkverbindung für den Endnutzer weiter zu perfektionieren.

Zusätzlich zur Bereitstellung von Hochgeschwindigkeitsverbindungen mit vorhersehbar niedriger Latenz wird erwartet, dass das 6G‑Netz die exponentiell wachsende Verkehrsnachfrage kosteneffizient bewältigt. Es könnte schließlich eine vollständige globale Abdeckung erreichen und allen Zugang bieten. Allerdings erfordert die Unterstützung einer so großen Anzahl von Geräten nachhaltige Kosten für sowohl Dienstanbieter als auch Verbraucher.

Doch das reicht nicht aus. Neben diesen Verbesserungen und der weltweiten Abdeckung durch die Anbindung entlegener Gebiete muss die Technologie auch Widerstandsfähigkeit gegen gezielte bösartige Angriffe auf die Infrastruktur sowie Resilienz gegenüber Naturkatastrophen und lokalen Störungen bieten.

All diese Fortschritte in der 6G‑Technologie werden uns in Bereichen wie präziser Gesundheitsversorgung, smarter Landwirtschaft, intelligenten Städten, digitalen Zwillingen, Weltraumkommunikation und Roboternavigation unterstützen. Sie ermöglichen zudem die Echtzeit‑Datenverarbeitung und -analyse am Netzwerkrand sowie die nahtlose Integration von Milliarden vernetzter Geräte in den Alltag. Der Einsatz von 6G wird voraussichtlich auch umweltfreundliche Innovationen fördern, um die Umweltauswirkungen zu minimieren und nachhaltige Entwicklung zu unterstützen.

Während 6G eine hochentwickelte Zukunft verspricht, steht es vor mehreren Herausforderungen, darunter Kosten und Sicherheit. Um diese Technologie zum Laufen zu bringen, benötigen wir eine neue Infrastruktur in großem Maßstab, deren Aufbau teuer ist. Zudem erhöhen Open‑Source‑Technologie, virtuelle Netze und das IoT die Anfälligkeit für Sicherheitsverletzungen.

Hier werden Quantenverschlüsselung, Blockchain und die prädiktiven Fähigkeiten von KI als mögliche Sicherheitslösungen erforscht, während die Virtualisierung vieler physischer Komponenten voraussichtlich die Kosten senken wird.

Was die globale Marktgröße dieser Technologie betrifft, wird prognostiziert, dass sie bis 2032 einen Wert von $40,5 Milliarden erreichen wird, angetrieben durch die Nachfrage nach Hyper‑Konnektivität, den Nutzen niedriger Latenz und hoher Datenraten, das Versprechen von Next‑Generation‑Anwendungen, die Nutzung von Terahertz‑Frequenzen und KI sowie das Potenzial, die digitale Kluft zu überbrücken.

Es wird erwartet, dass die 6G‑Technologie bis zum Ende dieses Jahrzehnts mit der Einführung beginnt. Derzeit befindet sie sich noch in den frühen Forschungsphasen.

Verbesserung der drahtlosen Kommunikation mit Quantenmaterial

Mit einem wachsenden Fokus darauf, die drahtlose Kommunikationstechnologie weltweit dramatisch zu verbessern, erforschen Wissenschaftler verschiedene Wege, um schnellere, effizientere Technologien in der drahtlosen Kommunikation zu erschließen.

Ein Forscherteam hat nun Wege gefunden, die Frequenzumwandlung von Terahertz‑(THz‑)Wellen in graphene‑basierten Strukturen zu verstärken.

Terahertz‑(THz‑)Drahtlossysteme gewinnen stark an Bedeutung, da immer breitere Bandbreiten und Frequenzen im THz‑Spektrum angestrebt werden, insbesondere sehr breite Bandbreiten.

Während Megahertz‑Bandbreiten für aktuelle Anwendungen ausreichen, werden zukünftige Netzwerkszenarien Bandbreiten im Bereich mehrerer Gigahertz (GHz) benötigen, um gut zu funktionieren. Da es sich um hochfrequente Wellen mit extrem kurzen Wellenlängen handelt, können THz‑Wellen Daten schneller übertragen.

Terahertz (THz) ist eine Frequenzeinheit, die elektromagnetische Wellen im Bereich von 0,1‑10 THz misst. Diese Wellen, die nicht invasiv und für Menschen, Tiere und Pflanzen sicher sind, liegen im elektromagnetischen (EM‑)Spektrum zwischen Infrarot‑ und Millimeterwellen.

Das bedeutet, dass THz‑Wellen für nicht‑invasive Bildgebung durch undurchsichtige Materialien für Qualitätskontrolle und Sicherheitsanwendungen genutzt werden können.

Ihr extrem großes Bandbreitenpotenzial ermöglicht ultra‑hohe Datenraten und natürlich Fähigkeiten, die über 5G hinausgehen. Diese vielversprechende Technologie wird jedoch leicht von atmosphärischen Komponenten wie Luft und Wasserdampf absorbiert, was die Signalstärke über Distanz reduziert.

Was das Potenzial von THz‑Wellen für die drahtlose Kommunikation angeht, wurden Fortschritte in der THz‑nichtlinearen Optik erzielt. Nichtlineare Optik untersucht die Wechselwirkung von Licht mit Materialien, um einzigartige Phänomene zu erzeugen, darunter die Erzeugung optischer Harmonischer.

Während sich THz‑Technologien weiterentwickeln, haben Forscher der University of Ottawa eine Methode entwickelt, Geräte zu bauen, die elektromagnetische Signale zu höheren Schwingungsfrequenzen upkonvertieren können. Dies kann die Lücke zwischen GHz‑Elektronik und THz‑Photonik effektiv verkleinern.

Die Ergebnisse der neuesten Studie, veröffentlicht in Nature¹ zeigten die innovativen Strategien des Teams, THz‑Nichtlinearitäten in graphene‑basierten Geräten zu verbessern.

Laut Jean‑Michel Ménard, außerordentlicher Professor für Physik an der Fakultät für Wissenschaft, der an dem Projekt mitgearbeitet hat:

“[Dies] markiert einen bedeutenden Fortschritt bei der Verbesserung der Effizienz von THz‑Frequenzkonvertern, ein kritischer Aspekt für multispektrale THz‑Anwendungen und insbesondere für die Zukunft von Kommunikationssystemen wie 6G.”

Mit der in der neuen Forschung demonstrierten Methode können auch die einzigartigen optischen Eigenschaften von Graphen genutzt werden.

Aus Graphit extrahiert, besteht Graphen aus reinem Kohlenstoff, einem der wichtigsten Elemente der Natur. Dieses aufstrebende Quantenmaterial besteht tatsächlich aus einer einzelnen Schicht von Kohlenstoffatomen und ist für seine Robustheit, Leichtigkeit und Flexibilität bekannt.

Dieses 2D‑Material ist auch für seine Widerstandsfähigkeit sowie seine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit bekannt. Noch wichtiger ist, dass Graphen bemerkenswerte optische Eigenschaften besitzt. Dazu gehören hohe Transparenz im sichtbaren Spektralbereich, abhängig von seiner Bandstruktur, ein einstellbarer infraroter optischer Absorptionsgrad und eine Photoantwort bis in den THz‑Frequenzbereich.

All diese erstaunlichen Eigenschaften machen Graphen zu einem wertvollen Material in den Bereichen Energie, Bauwesen, Gesundheit und Elektronik. Besonders seine große optische Nichtlinearität in Kombination mit der leichten Integration in Geräte macht Graphen zu einem idealen Kandidaten, ein Schlüsselelement für all‑optisches Switching und Frequenzumwandlungstechnologien für Signalverarbeitung und drahtlose Kommunikationsanwendungen zu werden.

Frühere Studien, die THz‑Licht und Graphen kombinierten, konzentrierten sich hauptsächlich auf grundlegende Licht‑Materie‑Wechselwirkungen. Die Betrachtung nur eines Parameters führte zu relativ schwachen nichtlinearen Effekten.

Die aktuelle Forschung kombinierte daher mehrere innovative Ansätze, um diese nichtlinearen Effekte zu verstärken und gleichzeitig die einzigartigen Eigenschaften von Graphen voll auszunutzen.

Um THz‑Nichtlinearitäten in graphene‑basierten Strukturen zu steigern, verlängerte das Team die Interaktionslänge mittels eines mehrschichtigen Designs, steuerte die Ladungsträgerdichte mit einem elektrischen Gate und modulierte die räumliche Verteilung des THz‑Feldes mit einem metallischen Metasurface‑Substrat.

Das neue Experiment und seine Gerätearchitekturen, bemerkte Ali Maleki, Doktorand in der Ultrafast‑THz‑Gruppe an der uOttawa, „bieten die Möglichkeit, ein breites Spektrum an Materialien jenseits von Graphen zu erforschen und potenziell neue nichtlineare optische Mechanismen zu identifizieren.“

Das Team berichtete von einer Verstärkung des dritten Harmonischen (THG) um das Dreißig‑fache und schlug Architekturen vor, die eine Steigerung um zwei Größenordnungen ermöglichen.

Maleki, der die Studienergebnisse sammelte und analysierte, hält die Forschung für entscheidend, um THz‑Frequenzumwandlungstechniken zu verfeinern. Die Entwicklung wird laut ihm letztlich auch helfen, diese Technologie in reale Anwendungen zu integrieren, „insbesondere um effiziente, chip‑integrierte nichtlineare THz‑Signal‑Konverter zu ermöglichen, die zukünftige Kommunikationssysteme antreiben.“

Wichtige Akteure im 6G

Das Rennen um die Vorherrschaft in der 6G‑Entwicklung hat Akteure aus China, den USA, Südkorea, Europa und Indien, die fortschrittliche Pläne umsetzen.

Unternehmen kooperieren ebenfalls, um ihre Entwicklung zu beschleunigen. Samsung Electronics hat eine Partnerschaft mit Japans größtem Mobilfunkbetreiber NTT Docomo geschlossen, um „die KI‑gestützte Innovation in der Telekommunikationsbranche zu beschleunigen“, was auch zukünftige Kommunikation wie 6G ermöglichen wird. SoftBank Corp hat ein MoU mit Nokia für die Entwicklung eines Kommunikationssystems unterzeichnet, das KI für 6G‑Technologie nutzt. Gleichzeitig erweitert Apple (AAPL ) sein Team, um tiefer in das 6G‑Gebiet einzutauchen.

Da also alle an Bord des 6G‑Zuges sind, werfen wir einen Blick auf einige der wichtigsten börsennotierten Unternehmen, die stark von diesem Fortschritt profitieren könnten.

1. Qualcomm Inc.

Dieser Halbleiterriese ist bereits in die Lieferung von 5G‑Modems involviert und investiert weiterhin in die Aufrechterhaltung seiner Führungsposition. Qualcomm (QCOM ) präsentiert regelmäßig seine Vision für 6G und arbeitet an fortschrittlichen Halbleiterlösungen sowie drahtlosen Standards, um die Infrastruktur und Geräte dafür zu betreiben.

Im letzten Monat bemerkte das Unternehmen, dass 6G darauf ausgerichtet ist, die Herausforderungen einer erweiterten Spektrumsverfügbarkeit und einer effizienteren Nutzung zu meistern. Es zielt zudem darauf ab, Chancen über niedrige, mittlere und hohe Spektrumsbänder hinweg zu erschließen, wodurch Abdeckung und Kapazität gesteigert und Hochleistungs‑Anwendungen wie generative KI und immersive XR ermöglicht werden.

Qualcomms Ziel ist es, Innovationen voranzutreiben, die den Weg zu neuem Spektrum öffnen und gleichzeitig die operative Effizienz bestehender Bänder verbessern.

Um sich auf die kommende 6G‑Ära vorzubereiten, arbeitet Qualcomm mit Spektrums‑Regulierungsbehörden, Mobilfunkbetreibern, OEMs und der Wissenschaft zusammen. Insbesondere bereitet es das obere Mittel‑Band (7 GHz bis 16 GHz) für 6G vor.

Unter dem Namen „Giga‑MIMO“ kommt die Technologie mit einer deutlich dichteren Antennenanordnung in der Basisstation sowie einem komplexeren Basisband‑ und Funkfrequenz‑(RF‑)Design für Geräte. Qualcomm hat zudem sein erweitertes 5G‑mmWave‑Testnetz eingeführt, das ebenfalls als grundlegender Enabler für integrierte Kommunikation und Sensorik dient.

6G wird laut John Smee, Global Head of Wireless Research bei Qualcomm, in einem Interview weiter auf der Luftschnittstellen‑Grundlage und integrierten terrestrischen/nicht‑terrestrischen Netzen (TN/NTN) aufbauen. Für den Übergang von 5G zu 6G erwartet er eine signifikante Verbesserung der drahtlosen Konnektivität sowie die Ermöglichung neuer Dienste wie KI, Sensorik und digitale Zwillinge.

Bezüglich KI betont Smee, dass sie nicht nur 5G, sondern auch die Systemleistung, operative Effizienz und Nutzererfahrungen von 6G verbessern und neue Anwendungsfälle in großem Maßstab ermöglichen wird. Das KI‑native Paradigma könne laut ihm mehr Innovationen für Geräte und Netze bringen.

Bezüglich Qualcomms Finanzkennzahlen: Das Unternehmen mit einer Marktkapitalisierung von 190,24 Milliarden $ wird derzeit zu 174 $ gehandelt. Die Aktie ist seit Jahresbeginn um 12,04 % gestiegen. Das EPS (TTM) liegt bei 8,95, das KGV (TTM) bei 19,24 und die Dividendenrendite beträgt 1,98 %.

Für das zuletzt gemeldete Quartal, das im September 2024 endete, erzielte das Unternehmen einen nicht‑GAAP‑Umsatz von 10,2 Milliarden $ bei einem nicht‑GAAP‑Gewinn pro Aktie von 2,69 $, wobei das EPS im Jahresvergleich um mehr als 30 % wuchs. Qualcomm zahlte zudem 2,2 Milliarden $ an Aktionärsrückflüssen, darunter 1,3 Milliarden $ Aktienrückkäufe und 947 Millionen $ Dividenden. Der Free‑Cash‑Flow für das Geschäftsjahr 2024 wurde mit 11,2 Milliarden $ angegeben.

Das Unternehmen macht zudem bedeutende Fortschritte in seiner Diversifizierungsstrategie, die es ihm ermöglicht hat, Chips für PCs, Autos und Maschinen zu produzieren.

„Wir werden Qualcomm weiterhin von einem Unternehmen für drahtlose Kommunikation zu einem vernetzten Computing‑Unternehmen für das KI‑Zeitalter transformieren.“

– CEO Cristiano Amon zu jener Zeit

2. Verizon Communications 

Im Jahr 2020 sagte der CTO dieses Telekommunikationsanbieters, dass er „nicht weiß, was zum Teufel 6G ist“, und ihr Fokus bleibt auf der Verbesserung von 5G. Das Unternehmen hat jedoch deutlich mit anderen Branchenführern der drahtlosen Kommunikation die Next G Alliance gegründet.

Verizon hat zusammen mit Qualcomm, Samsung, AT&T (T ), Apple, Google, Ericsson (ERIC ), Microsoft (MSFT ), Nokia, Facebook, Bell Canada, Ciena, InterDigital (IDCC ), JMA Wireless, TELUS, Telnyx, T‑Mobile und US Cellular die Allianz gebildet. Die Allianz zielt darauf ab, eine nationale 6G‑Roadmap zu entwickeln, die Prioritäten der Stakeholder für Regierungs‑Politiken und Förderungen abzustimmen und Strategien zu identifizieren, um die Einführung von 6G‑Technologie in allen Sektoren zu beschleunigen.

Bezüglich Verizons Finanzkennzahlen: Das Unternehmen mit einer Marktkapitalisierung von 166,45 Milliarden $ wird derzeit zu 40,10 $ gehandelt. Die Aktie ist seit Jahresbeginn um 1,13 % gefallen. Das EPS (TTM) liegt bei 4,15, das KGV (TTM) bei 9,54 und die Dividendenrendite beträgt 6,85 %.

Für das vierte Quartal 2024 meldete Verizon, was es als „branchenführenden“ Umsatz im Bereich drahtlose Dienste bezeichnet, 20 Milliarden $ Umsatz. Der gesamte operative Umsatz betrug 35,7 Milliarden $, der konsolidierte Nettogewinn 5,1 Milliarden $ und die gesamte ungesicherte Verschuldung 117,9 Milliarden $.

Das vierte Quartal war tatsächlich das beste Quartal für Verizon in fünf Jahren hinsichtlich des Wachstums der drahtlosen Abonnenten, angetrieben durch anpassbare myPlan‑ und Black‑Friday‑Angebote. Das Unternehmen gewann fast 1 Million postpaid Mobil‑ und Breitband‑Abonnenten – das beste Quartalsergebnis seit über einem Jahrzehnt. Die Festnetz‑Drahtlos‑Abonnenten lagen bei fast 4,6 Millionen. Verizon hat zudem Verizon AI Connect vorgestellt, das den KI‑Boom nutzt, um Unternehmen zu ermöglichen, ihre KI‑Workloads skaliert zu verwalten.

Fazit

Nachdem frühere Technologiegenerationen den Fokus auf die mensch‑zu‑mensch‑Kommunikation legten und dann einen grundlegenden Wandel im Datenverbrauch herbeiführten, liegt der Schwerpunkt jetzt auf der Vernetzung von IoT‑ und Automatisierungssystemen. Mit 6G werden die menschliche und digitale Welt nahtlos verschmelzen und so verbesserte Erlebnisse ermöglichen.

Technologische Fortschritte, zunehmende Digitalisierung, fortschrittliche Anwendungsfälle und die Bereitstellung extremer Leistung werden den 6G‑Markt vorantreiben. Mit seinen ultra‑schnellen Geschwindigkeiten, niedriger Latenz und globaler Konnektivität wird die 6G‑Technologie die neue Zukunft durch selbstfahrende Autos, intelligente Städte und virtuelle Realität antreiben.

Diese neue Generation drahtloser Technologie wird voraussichtlich die Wirtschaft und Gesellschaft prägen, sobald sie Anfang der 2030er‑Jahre eingeführt wird. Es gibt jedoch Hürden in Form hoher Anfangskosten, begrenzter Spektrumsverfügbarkeit und Standardisierungs‑Herausforderungen, die zuerst überwunden werden müssen.

Forschung wie die hier diskutierte spielt eine entscheidende Rolle, um diese Technologie zur Realität zu machen. Sie demonstriert den Wert von Graphen für die Ermöglichung von Terahertz‑(THz‑)Frequenzkommunikation, ein Schlüssel für die zukünftigen Fähigkeiten von 6 G. Während also die Forschung weitergeht, Regierungen Initiativen einführen und Unternehmen zusammenarbeiten, haben wir bereits Fortschritte in Richtung der sechsten Generation drahtloser Technologie gemacht, die eine stärker vernetzte und innovative Zukunft verspricht!

Die Aufbereitung von Graphen ist entscheidend für seine Kommerzialisierung.

Studienreferenz:

^{1. Maleki, A., Heindl, M. B., Xin, Y., Boyd, R. W., Herink, G., & Ménard, J.-M. (2024). Strategies to enhance THz harmonic generation combining multilayered, gated, and metamaterial-based architectures. Light: Science & Applications, 15, Article 1657. https://www.nature.com/articles/s41377-024-01657-1}