Was nach Science Fiction klingt, ist in wenigen Jahren vielleicht schon Alltag. Erste Unternehmen haben bereits Quantencomputer-Modelle entwickelt und arbeiten mit Hochdruck daran, diese zur Marktreife zu bringen. Prof. Dr. Christian Bauckhage vom Fraunhofer-Institut für Intelligente Analyse- und Informationssysteme IAIS erklärt die Hintergründe.

Quantencomputer werden bald in aller Munde sein. Was unterscheidet sie von herkömmlichen Computern?

Bei herkömmlichen, digitalen Computern ist die minimale Einheit der Repräsentation von Informationen das Bit, das entweder den Wert 0 oder 1 hat. In einem Quantencomputer hingegen werden einzelne Elektronen manipuliert – und die Berechnungen basieren auf den Prinzipien der Quantenmechanik. Ein sogenanntes Quantenbit ist 0 und 1 gleichzeitig. Es legt sich erst fest, wenn man nachmisst. Solange keine physikalische Messung an einem Qubit-System durchgeführt wird, kann man nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit sagen, ob es 0 oder 1 ist. Das klingt bizarr und entspricht in keiner Weise unserer Alltagserfahrung. Aber Natur auf dem subatomaren Level funktioniert so. Wir müssen uns auf die Mathematik verlassen, die in dem Fall extrem komplex ist. Aber seit den 1930er Jahren ist die Menschheit in der Lage, diese Vorgänge mathematisch zu beschreiben.

Wie weit ist die Forschung heutzutage? Werden Quantencomputer bereits eingesetzt?

Eine kanadische Firma, die Quantencomputer produziert, hat diese an die NASA, die NSA und Google für 15 Millionen US-Dollar verkauft. VW Research hat diese Systeme, die dem Paradigma des adiabatischen Quantencomputings folgen, geleast. Gleichzeitig hat IBM eigene Quantencomputer, die wiederum dem Paradigma des Quantum Gate Computings folgen. Das ist im Wesentlichen der Versuch, logische Schaltungen digitaler Computer – also »AND«, »OR« und »NOT« – in die Quantenmechanik zu übertragen. Intel und Microsoft arbeiten ebenfalls an solchen Modellen. Google hat für Ende 2017 einen Quantencomputer mit 49 Quantenbits angekündigt, der die sogenannte Quanten-Supremacy erreicht, also wesentlich schneller rechnet als ein klassischer Computer. Quantencomputer sind nur noch ein Engineering-Problem. Sie müssen jetzt kleiner und billiger gemacht werden, das ist alles.

Was sind die Hürden und Herausforderungen bei der Herstellung von Quantencomputern?

Die Hürde ist die sogenannte Dekohärenz. Wenn ein Elementarteilchen gegen ein anderes stößt, ist das wie eine Messung, und der Effekt der beiden gleichzeitigen Grundzustände verschwindet. Die Schwierigkeit ist also, Geräte herzustellen, in denen Quantenzustände so isoliert werden können, dass sie an der Interaktion mit anderen Quantenteilchen gehindert werden. Weder Temperaturen, Schwingungen, mechanische Bewegungen, noch Strahlungen dürfen von außen einwirken. Dafür braucht man sehr niedrige Temperaturen, schwingungsfreie Aufhängungen und mitunter Laser.

Eine IBM-Forscherin begutachtet ein Kryostat, in dem sich der Prototyp eines Quantenprozessors befindet. Bild: IBM (CC BY-ND 2.0)

Das klingt sehr aufwendig. Welche Vorteile haben Quantencomputer gegenüber klassischen Computern?     

Ein Qubit kann zwei Zustände haben. Zwei Qubits können insgesamt vier Zuständen haben. Drei Qubits acht Zustände, vier 16 und so weiter. Das ist bei digitalen Computern ähnlich. Vier Bits können insgesamt 16 Zahlen darstellen – jedoch immer nur eine aus diesen 16 Zahlen. Vier Quantenbits stellen die 16 Zahlen jedoch gleichzeitig dar. Wenn man das mathematisch versteht, ist man in der Lage, exponentiell schwierige Probleme in sogenannter Polynomialzeit zu lösen. Das klassische Beispiel ist Verschlüsselung: Wenn die Verschlüsselungszahlen groß genug sind, bräuchte ein digitaler Computer Milliarden Jahre, bis er eine Verschlüsselung knacken kann, er muss nämlich unfassbar viele Kombinationen nach und nach durchtesten. Ein Quantencomputer hingegen testet diese Kombinationen alle simultan durch. Statt Milliarden von Jahren dauert diese Berechnung nur ein paar Sekunden. Quantencomputing wird alles ändern. Keine Banktransaktion über das Internet wird mehr sicher sein.

Sie sehen da ein Gefahrenpotential?

Das Gefahrenpotential ist nicht, dass wir Quantencomputer nutzen können, sondern dass unsere Verschlüsselungsalgorithmen in Zukunft womöglich nicht ausreichen werden.

Beim maschinellen Lernen lösen Algorithmen Probleme, indem sie sehr viele Daten auswerten. Werden Quantencomputer diesen Vorgang folglich beschleunigen?

Maschinelles Lernen ist Statistik. Die Parameter von statistischen Modellen werden optimal an Daten angepasst. Auf klassischen Computern sind diese Optimierungsprobleme aufwendig und teuer. Dank starker, herkömmlicher Computer haben wir trotzdem große Fortschritte in dem Feld gemacht. Quantencomputer jedoch sind prädestiniert, diese Optimierungsprobleme sehr schnell zu lösen. Innerhalb kurzer Zeit werden Computer Prozesse lernen, für die sie heute Monate brauchen. Wo heute isolierte Spezialprogramme zum Beispiel für Bilderkennung, für Spracherkennung, für Prozessplanung nötig sind, wird bald ein einziges Programm reichen. Der heutige Zustand kann vertausendfacht werden. Viel aufwendigere Probleme werden gelöst und dann verkauft werden. Wir werden dramatische Fortschritte in der künstlichen Intelligenz sehen.

Quantencomputer werden zunächst wohl großen Unternehmen vorbehalten sein. Diese wiederum verkaufen basierend auf ihren Systemen Problemlösungen als Dienstleistung?

Genau. Und das wird uns vor große Herausforderungen stellen, beispielsweise in der Informatikausbildung und dem IT-Arbeitsmarkt. Für Leute, die theoretische Physik studiert haben, werden die Veränderungen gut sein, für alle anderen wird es schwierig. Denn Quantencomputing setzt andere Algorithmen und eine sehr komplexe Mathematik voraus. In Deutschland gibt es bislang kaum Leute, die adäquat ausgebildet sind, um mit der Technologie zu arbeiten.

Gibt es auch in Deutschland bereits Initiativen, die sich mit Quantencomputing auseinandersetzen?

Was Forschung angeht, war Deutschland schon immer gut aufgestellt, auch in diesem Fall. Zum Beispiel hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung zur Förderung der Quantentechnologien in Deutschland beschlossen, die nationale Initiative »Quantentechnologie – Grundlagen und Anwendungen (QUTEGA)« einzurichten. Auch bei der Fraunhofer-Gesellschaft spielt die Forschung hierzu eine große Rolle. Ich persönlich kümmere mich um das Thema Quantencomputing für maschinelles Lernen. Wenn die Technologie in fünf Jahren ein Standard sein wird, müssen wir vorbereitet sein. (adz)

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Prof. Dr. Christian Bauckhage
  • Fraunhofer-Institut für Intelligente Analyse- und Informationssysteme IAIS
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