Quantencomputer – die Vision wird real

Ein mannshoher schwarz glänzender Zylinder in einem Kubus aus Panzerglas – so sieht die Zukunft des Computings aus. Zu besichtigen ist sie in Ehningen, rund 20 Kilometer südwestlich von Stuttgart in einem Rechenzentrum des US-amerikanischen IT-Konzerns IBM. Dort steht seit dem Frühjahr 2021 Europas leistungsstärkster Quantencomputer, der IBM Quantum System One, auch Q System One genannt. Im Innern des Zylinders herrschen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Minus 273 Grad. Mit seinen Drähten, goldenen Trägerplattformen und Röhren erinnert es an eine Maschine aus einer Steampunk-Fantasie. Das Hirn des Systems: ein 27-Qubit-Prozessor namens „Falcon“. Je nach Anwendung lassen sich damit in wenigen Sekunden Berechnungen durchführen, für die herkömmliche Groß- oder Superrechner mehrere 10.000 Jahre benötigen würden.

Betreiber des Q System One ist die Fraunhofer-Gesellschaft – Europas größte Organisation für anwendungsorientierte Forschung. Mit dem futuristischen Supercomputer sollen deshalb keine neuen Rechenrekorde aufgestellt, sondern vor allem Wege für künftige industrielle Anwendungen des Quantencomputings geebnet werden. Große deutsche Industrieunternehmen verschiedener Branchen wie BASF, BMW, Bosch, Infineon oder Trumpf haben angekündigt, das System nutzen zu wollen, oder tun dies bereits. „Wir versprechen uns von der Anwendung bahnbrechende neue Erkenntnisse und Möglichkeiten“, sagte Dr. Peter Leibinger, Chief Technology Officer beim Werkzeugmaschinenbauer Trumpf, bei der Einweihung des Quantencomputers.

Die Exportnation Deutschland wird in vielen Branchen von der anwendenden und entwickelnden Industrie dominiert, nicht nur in der Chemie und im Automobilbau. „Für den Maschinen- und Anlagenbau ist Quantencomputing eine interessante Entwicklung, da damit Prozesse noch genauer und schneller simuliert werden können, bei der Lackierung bis hin zur atomaren Ebene“, erklärt Gerhard Alonso, Leiter der Digital Factory bei der Dürr AG. Auch kleine und mittlere Unternehmen (KMU) und Start-ups sollen mit dem Q System One quantenbasierte Rechenstrategien ausprobieren, auf ihre Anwendungsbereiche hin optimieren und die nötigen Kompetenzen beim „Training on the System“ aufbauen können. Hier finden Sie nähere Infos zum Schulungsangebot. (Die aktuelle Schulungsreihe hat bereits begonnen. Anmeldungen sind aber weiter möglich, denn bisherige Sitzungen stehen als Aufzeichnung zur Verfügung.)

Quantensprung für die Wirtschaft

In Wirtschaft und Forschung gilt Quantencomputing vielen Experten als „Gamechanger“. Warum das so ist, erläutert Mirko Maier, Technologie-Analyst bei LBBW Research, im Perspektiven-Video. Unternehmen, die diese Technologie anwenden, könnten sich große Wettbewerbsvorteile verschaffen. „Dank neuer Simulationsmöglichkeiten ließen sich damit zum Beispiel Logistik- und Transportsysteme perfektionieren, neue Medikamente oder Impfstoffe schneller entwickeln, für Versicherungen Klimarechenmodelle verbessern und Finanzportfolios optimieren“, sagt Maier.

Gewaltige Marktchancen bietet die Quantentechnologie nicht nur ihren Anwendern. Auch Hersteller werden profitieren. „Wir gehen davon aus, dass die Ausgaben für die bloße Hardware für Quantencomputer, jene für sogenannte Supercomputer spätestens 2040 überschreiten werden“, sagt Mirko Maier. Unterstrichen wird diese Einschätzung durch das große internationale Interesse an der Weiterentwicklung der Technologie: Allein im Jahr 2021 betrugen die öffentlichen Investitionen in die Entwicklung von Quantencomputern weltweit geschätzt rund 24 Milliarden US-Dollar. Auch die Bundesregierung stellte zuletzt fast 2 Milliarden Euro zur Weiterentwicklung der Quantentechnologie bis 2025 bereit. Hinzu kamen private Investments von mehr als 800 Millionen US-Dollar.

Vom Bit zum Qubit

Mit ihrer enormen Rechenleistung strapazieren Quantencomputer nicht nur die Vorstellungskraft der meisten Menschen, sondern auch die klassischen Gesetze der Mechanik. Transistoren, die kleinsten Bauteile auf den Chips herkömmlicher Computer, rechnen mit Bits („Binary Digits“) als kleinster Informationseinheit. Sie können entweder den Zustand 1 (leitet Strom) oder 0 (leitet keinen Strom) annehmen, stellen also jede Information als Abfolge aus diesen beiden Ziffern dar, die nacheinander berechnet werden müssen. Die subatomaren Quantum-Bits, kurz Qubits, hingegen können als kleinste Bausteine von Quantencomputern zwei Zustände oder unendlich viele Zwischenzustände dazwischen annehmen. Das ist in etwa vergleichbar mit einer sich um die eigene Achse drehenden Münze, die – bis sie gestoppt wird – einen Zustand irgendwo zwischen Kopf und Zahl hat. In der Fachsprache heißt diese Überlagerung Superposition. Klingt kompliziert? Ist es auch. Wie es grundsätzlich funktioniert, zeigt ein stark vereinfachtes Beispiel: Während klassische Computer, um den Ausgang in einem Labyrinth zu finden, jeden Weg nacheinander einzeln ausprobieren, können Quantencomputer je nach Zahl ihrer Qubits eine Vielzahl von Wegen gleichzeitig durchspielen und so viel schneller zum Ziel kommen. Mit 300 Qubits etwa hätte man 2 hoch 300 Kombinationsmöglichkeiten – mehr als alle Teilchen im Universum. Eine solche Zahlenmenge könnte ein klassischer Computer unmöglich verarbeiten.

Schneller, größer, stabiler

Mit der Grundlagenforschung für Quantentechnologie wurde bereits vor 30 Jahren begonnen. Mirko Maier ist sicher: „Das Tal der Enttäuschungen ist durchschritten und Quantencomputer bewegen sich nunmehr auf dem Pfad der Erleuchtung, der geprägt ist von konkreten Nutzungsbeispielen, Pilotprojekten und Engagements von mutigen Unternehmen.“ Bis es Quantencomputer zu einer Art Serienreife bringen, gilt es jedoch, noch einige Herausforderungen in den Griff zu bekommen. Dazu zählt die hohe Sensibilität der Qubits auf äußere Einflüsse wie Luftfeuchtigkeit oder Temperatur, die für fehlerhafte Berechnungen sorgen kann. Als Vergleichskennzahl für die Leistung von Quantencomputern wurde deshalb das Quantenvolumen geschaffen. Es setzt die Anzahl der Qubits in Relation zu ihrer Fehlerrate.

Trotz oder gerade wegen dieser Herausforderungen schreitet die Entwicklung der Quantentechnologie aktuell rasant voran – getrieben von großen Techfirmen wie IBM, Microsoft oder Google, aber auch spezialisierten Herstellern, Forschungseinrichtungen sowie Regierungen und Geheimdiensten. Experten gehen davon aus, dass noch innerhalb des laufenden Jahrzehnts der „Quantenvorteil“ erreicht wird – jener Punkt, an dem Quantencomputer grundsätzlich präzisere Lösungen eines Problems liefern als herkömmliche Computer.

Auch für die nächste Entwicklungsstufe haben die Experten bereits einen Namen gefunden. Sobald Quantencomputer eines Tages Aufgaben berechnen, die heute noch völlig unlösbar sind, spricht man von „Quantenüberlegenheit“.