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18.03.2020 | Quantum Computing | Im Fokus | Onlineartikel

Der Tanz mit dem Quantencomputer kann beginnen

Autor:
Dieter Beste
4:30 Min. Lesedauer

Wenn alles klappt, wollen die Partner Fraunhofer-Gesellschaft und IBM Anfang 2021 mit dem ersten physischen Quantencomputer auf europäischem Boden in Stuttgart an den Start gehen. Was ist vom Quantencomputing zu erwarten?

Ziel einer am 13. März unterzeichneten Vereinbarung von Fraunhofer-Gesellschaft und IBM ist es, so formulieren es die Partner, "Quantencomputing in Deutschland voranzubringen". Bereits zum 1. April 2020 erhalten demnach interessierte Unternehmen und Forschungseinrichtungen unter dem Dach eines bundesweiten Kompetenznetzwerks über die Cloud Zugriff auf eine Gruppe von IBM Quantenrechnern, die derzeit 15 Systeme umfasst und im US-Bundesstaat New York installiert ist. Das amerikanische Unternehmen bietet im Rahmen der Vereinbarung technische Unterstützung und Hilfe bei der Nutzung an. Zudem wird im Rahmen der Zusammenarbeit ein IBM Q System One Quantencomputer in einem Rechenzentrum von IBM Deutschland bei Stuttgart installiert. Das System soll zu Jahresbeginn 2021 in Betrieb gehen und wird das erste seiner Art in Europa sein. 

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Die Fraunhofer-Gesellschaft wird jetzt Mitglied des weltweiten IBM Q Network, "einem Zusammenschluss von über 100 Unternehmen, Startups, akademischen Einrichtungen und Forschungslaboren, die daran arbeiten, Quantencomputing voranzubringen und dessen praktische Anwendungen in Wirtschaft und Wissenschaft zu erforschen", wie Gregor Pillen, General Manager IBM DACH, anlässlich der Vertragsunterzeichnung erläuterte. "Eine zentrale Forschungsfrage ist, welche konkreten Anwendungsszenarien sich für die Berechnung mit einem Quantencomputer eignen, wie sich Algorithmen dafür entwickeln und in einfache Applikationen übersetzen lassen. Quantencomputing hat das Potenzial, die komplexen Systeme in Wirtschaft und Industrie zu analysieren, molekulare und chemische Wechselwirkungen zu entflechten, komplizierte Optimierungsprobleme zu bewältigen und Künstliche Intelligenz deutlich leistungsfähiger zu machen", präzisierte Fraunhofer-Präsident Reimund Neugebauer das gemeinsame Vorhaben. Wie Quantencomputer rechnen, erklärt Springer-Autor Ehrhard Behrends kurz und bündig in "Alles Mathematik" ab Seite 235 und konzentriert sich darauf zu erörtern, welche neue Mathematik benötigt wird, um die neuen Möglichkeiten voll auszuschöpfen.

Die technischen Schwierigkeiten einen Quantencomputer physikalisch herzustellen, sind immens: Das IBM Q System One ist nach Unternehmensangaben dahingehend einsatzbereit, die Qualität, Stabilität, Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit von Multi-Qubit-Anwendungen sicherzustellen. Aufgrund dieser Faktoren und des daraus resultierenden hohen Quantum Volumes (eine Maßzahl für die Leistungsfähigkeit eines Quantenrechners) ermögliche das System inzwischen Forschungsarbeiten für konkrete Anwendungsszenarien in Wissenschaft und Industrie. Seit 2016 stellt IBM Quantencomputer über die Cloud für jedermann kostenlos zur Verfügung. Seither verzeichnete der Hersteller mehr als 200.000 Zugriffe; die entsprechende Software namens Qiskit wurde mehr als 300.000-mal heruntergeladen, über 200 wissenschaftliche Arbeiten zu Experimenten seien auf der Plattform schon veröffentlicht worden.

Quantencomputer sind "unfassbar schnell"

Jedes Jahr verdoppelt sich die Menge an Daten, die wir Menschen produzieren. Allein 2018 kamen weltweit so viele Giga-, Tera-, Peta- und Exabytes zusammen wie in der gesamten Menschheitsgeschichte vor 2018, rechnet Springer-Autor Lars Jaeger in "Die zweite Quantenrevolution" vor (Seite 63). Was ist also vor diesem Hintergrund vom Quantencomputing zu erwarten? Die Berechnungen in einem Quantencomputer unterscheiden sich grundsätzlich von denen in einem klassischen Computer, erklärt Jaeger, denn anders als ein klassisches Logikgatter ist ein Quantengatter kein technischer Baustein, der einzelne Bits auf vorgegebene Art und Weise ineinander umwandelt, sondern beschreibt eine elementare physikalische Manipulation eines oder mehrerer (verschränkter) sogenannter Qubits. Das Qubit ist das Pendant zum klassischen Bit bei herkömmlichen Computern: Es dient als kleinstmögliche Speichereinheit und definiert gleichzeitig ein Maß für die Quanteninformation.

Mit einem einzelnen Qubit lasse sich allerdings nicht viel anfangen – erst die Verschränkung zahlreicher Qubits miteinander, die zu Quantenregistern zusammengefasst werden, ermögliche die hochgradige Parallelisierung der Operationen, die Quantencomputer so leistungsfähig machten: Sie werden "unfassbar schnell", bringt es Jaeger in einer Kapitelüberschrift seines Buches auf den Punkt und benennt fünf Handlungsfelder, bei denen heutige Computer – und seien sie noch so groß – prinzipiell unterlegen sind: Kryptographie, komplexe Optimierungsaufgaben, Künstliche Intelligenz, Suche in großen Datenbanken sowie die Modellierung des Verhaltens von Elektronen in Festkörpern und Molekülen.

Algorithmen für das Quantencomputing

Dabei wirft die Konstruktion von funktionsfähigen Quantencomputern immer noch schwierig zu lösende Probleme auf. Das größte davon: Verschränkte Quantenzustände zerfallen unter dem allgegenwärtigen Einfluss von Wärme und Strahlung sehr schnell – oft zu schnell, um die gewünschten Operationen fehlerfrei durchzuführen. Lars Jaeger: "Mit Qubits zu arbeiten erscheint fast so, als wolle man nicht auf einem Blatt Papier schreiben, sondern auf einer Wasseroberfläche. Während Ersteres Jahrhunderte überdauern kann, ist das auf Wasser Geschriebene schon nach
Sekundenbruchteilen verschwunden" (Seite 83).

Die Herausforderung des Quantencomputing besteht nach Jaeger also in erster Linie darin, die wahnwitzige Geschwindigkeit zu beherrschen. Wie? Mit Algorithmen. Springer-Autor Matthias Homeister verweist in "Quantum Computing verstehen" im Kapitel "Klassische Verschlüsselungen knacken: Primfaktorzerlegung" auf eine Liste von Algorithmen, für die Quantencomputer eine Beschleunigung ermöglichen. Und er postuliert: "Möglicherweise steht auch der eigentliche Durchbruch, die Entdeckung weiterer hocheffizienter Quantenalgorithmen, erst noch bevor." Kurzum: Es ist längst nicht zu spät für die deutsche Wirtschaft und Wissenschaft, jetzt in den Ring zu steigen.
 

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