Quantencomputer haben enormes Potential für das Lösen komplexer Optimierungsprobleme, das Durchsuchen riesiger Datenbanken, die Künstliche Intelligenz und das Maschinelle Lernen – für diese und noch viele mehr Bereiche versprechen die Quanten-Bits große Vorteile. Bisher war das reine Zukunftsmusik, nun aber wird der Sprung in die Anwendung vorbereitet. Mit dem ersten Gatter-basierten Quantencomputer auf europäischem Boden und einem breit aufgestellten Kompetenznetzwerk treibt die Fraunhofer-Gesellschaft die anstehende Revolution im Computing voran.

Quantencomputing und Künstliche Intelligenz folgen auf dem Weg in die Anwendung einer ähnlichen Trajektorie. Die von KI ausgehende technologische Revolution wurde schon früh vorhergesagt, blieb aber lange im Labor hängen. Erst als Anfang des 21. Jahrhunderts performantere Computerhardware, große Datensätze sowie optimierte Lernverfahren verfügbar waren, um die theoretischen Erkenntnisse endlich auch auf praktische Probleme anzuwenden, ging es plötzlich ganz schnell. Mittlerweile ist KI ist aus unseren digitalen Diensten und Systemen kaum mehr wegzudenken. Aktuell steht Quantencomputing an einem ganz ähnlichen Kipppunkt.

Im letzten Jahrzehnt hat sich Quantencomputing von einem akademischen Fach zu einer anwendungsorientierten Zukunftsdisziplin entwickelt. Die Entwicklungsgeschwindigkeit hat stark zugenommen und inzwischen ist längst klar, dass Quantencomputing ein Zukunftsthema von zentraler Bedeutung für viele IT-Anwendungsbereiche ist.
Wie auch bei der KI wird es kaum ein Feld geben, das nicht von Quantencomputing revolutioniert wird. Die Informatik und das Software-Engineering stehen vor der großen Herausforderung, neue Methoden zur Programmierung von Quantencomputern nach den wenig intuitiven Spielregeln der Quantenmechanik zu entwickeln. Für unsere anhaltende IT-Sicherheit müssen neue quantenresistente Verschlüsselungsverfahren entwickelt werden, da universelle, derzeit noch theoretische, Quantencomputer viele herkömmliche, bisher sichere Verfahren mühelos brechen können. Und in der Industrie, Logistik, Pharmazie und Wissenschaft werden aktuell die Grenzen ausgelotet, um die Probleme zu finden, für deren Lösung sich reale Quantencomputer eignen.

Komplexität bändigen

Woher kommt das disruptive Potenzial von Quantencomputing? Ein universeller Quantencomputer könnte anspruchsvolle Aufgaben lösen, an denen ein klassischer Computer aufgrund der Komplexität scheitert – beispielsweise die Faktorisierung großer Zahlen, also Primzahlzerlegung in der Cybersicherheit, der Optimierung von Wegestrecken in der Logistik, die Suche in großen Datenbanken in Big-Data-Anwendungen oder auch die Simulation von Atomen und Molekülen in der Materialforschung.
Wie aber bewältigt ein Quantencomputer solche Komplexitäten? Quantencomputer funktionieren komplett anders als klassische Computer. Ein klassischer Computer arbeitet auf der Basis von Bits – die können den Zustand 0 oder 1 annehmen. Ein Quantencomputer hingegen arbeitet auf der Basis von Qubits – das sind quantenmechanische Zustände, die nicht nur die Werte 0 oder 1 annehmen können, sondern jede beliebige Überlagerung von 0 und 1. Das nennt man Superposition. Außerdem können sie miteinander verschränkt werden. Wenn Qubits verschränkt sind, »dreht« man an einem und das andere spürt es, selbst wenn sehr große Entfernungen dazwischenliegen, wenn sich etwa eines in Europa und das andere in den USA befindet.

Diese beiden Mechanismen – Superposition und Verschränkung – sind die Eigenschaften, die komplexe oder mühsame Berechnungen möglich machen, die auf einem klassischen Computer nicht oder vergleichsweise nur im Schneckentempo funktionieren. Das bedeutet aber auch, dass man neue Algorithmen speziell für diese neuen Systeme entwickeln muss. Die bekannten, von Peter Shore und Lov Grover in den 1990er Jahren entwickelten Algorithmen, sind Beispiele dafür.

Gegenwärtige Herausforderungen

Die aktuelle Generation der Quantencomputer, die auch »NISQ« (noisy intermediate-scale quantum computer) genannt werden, können zwar noch nicht solche Mammutaufgaben wie die Shore- oder Grover-Algorithmen für echte Anwendungen lösen, denn sie besitzen vergleichsweise kleine Qubit-Zahlen von überschaubarer Qualität. Der Wert der aktuellen Generation besteht aber darin, dass man sich mit den neuen technischen Eigenschaften vertraut machen kann. Es geht darum zu verstehen, welche Anwendungen sich mit diesen Systemen adressieren lassen. Zudem bietet sich die Chance, auf echten Quantenrechnern Erfahrungen zu sammeln.

Die Entwicklung neuer Hardware verlief gerade in den letzten Jahren unglaublich rasant – somit wird auch die Qubit-Zahl sehr schnell wachsen. Und mit jedem zusätzlichen Qubit verdoppelt sich (zumindest theoretisch) die Fähigkeit, komplexe parallele Probleme zu lösen. Das andere wichtige Maß für die Leistungsfähigkeit eines Quantencomputers ist die Qualität der Qubits, also deren Stabilität, Robustheit und Präzision in der Ansteuerung. Inzwischen gibt es erste kommerziell nutzbare Quantencomputer wie den IBM Quantum System One, von denen ein Exemplar in Ehningen der Fraunhofer-Gesellschaft zu Forschungszwecken zur Verfügung steht.

Kompetenzbündel

Um die anwendungsnahe Forschung voranzutreiben, hat die Fraunhofer-Gesellschaft acht regionale Kompetenzzentren gegründet, die wiederum aus verschiedenen Fraunhofer-Instituten mit eigenen Forschungsschwerpunkten bestehen. Die breiten Kompetenzen werden im Fraunhofer-Kompetenznetzwerk Quantencomputing gebündelt. Das gemeinsame Ziel: Die Erforschung und Entwicklung von neuen technologischen Lösungen auf dem Gebiet des Quantencomputings. Das Netzwerk ist die erste Anlaufstelle für alle, die am und mit dem Quantencomputer forschen wollen – neben Fraunhofer-Mitarbeitenden haben auch Partner aus Forschung und Industrie Zugriff.

Ein starkes Netzwerk

Am Kompetenzzentrum Quantencomputing (KQC) Baden-Württemberg am Standort Ehningen steht seit 2021 mit einem IBM Quantum System One der erste Gatter-basierte Quantencomputer Europas. Das System wird vollständig unter deutschem Recht und europäischen Datenschutzbestimmungen betrieben, eine Nutzung ist möglich für alle Forschungseinrichtungen und Unternehmen mit Hauptsitz in Deutschland. Spannend ist das für alle, die wissen wollen, ob sich Quantencomputing für ihre Probleme eignet – im Prinzip alle Branchen von der Logistik über die industrielle Fertigung, das Energie- und Finanzwesen bis zur pharmazeutischen Industrie. Fraunhofer-intern wird der Quantencomputer genutzt, um problemübergreifende Expertise auszubauen, um so den Kunden einen besseren Einblick in die möglichen Anwendungsgebiete geben können.

Die Landesregierung von Baden-Württemberg hat 2021 eine Förderung in Höhe von 19 Millionen Euro ausgeschüttet, wobei sechs Verbundprojekte unter Beteiligung der Fraunhofer-Institute IAF, IAO, ICT, IPA, IWM und EMI gefördert werden. Das Projekt »QuESt« erprobt neue Ansätze der Materialsimulation für elektrochemische Energiesysteme mittels des IBM-Quantencomputers. Es geht also um ein etabliertes Feld, dessen Forschungsgrenzen durch den Quantencomputer erweitert werden sollen.

Im praxisnahen Projekt »EFFEKTIF« wird sich mit der raschen und effizienten Fehlerkorrektur beim Betrieb systemrelevanter öffentlicher Infrastruktur auseinandergesetzt, etwa für die Wasser- und Stromversorgung oder Kommunikation. Zwar können diese Strukturen schon jetzt modelliert werden, aber eine Simulation und Problemlösung in Echtzeit ist aufgrund der vielen involvierten Faktoren kaum zu erreichen. Daher sollen diese Netzwerkstrukturen Quantennetzwerke abbilden und modellieren. Anschließend an die erste Fördermittelausschüttung werden in 2023 und 2024 weitere 12,25 Millionen Euro von der Landesregierung für Verbundprojekte bereitgestellt.

Auch das Kompetenzzentrum Quantencomputing Rheinland-Pfalz mit dem Fraunhofer ITWM wurde bereits sehr frühzeitig etabliert. Im Mittelpunkt steht hier Quanten-High-Performance-Computing. Die zentralen Forschungsfragen sind z.B.: Welche konkreten Anwendungs­szenarien eignen sich für die Berechnung mit einem Quanten­computer? Wie lassen sich Algorithmen dafür entwickeln und in Anwendungen übersetzen?

Das Bayerische Kompetenzzentrum Quanten Security and Data Science »BayQS« fokussiert sich auf Sicherheit und Robustheit neben der Plattformentwicklung. Die Entwicklung von Quantencomputern schreitet zwar rasant voran, die Nutzung in industriellen Anwendungen steht aber noch am Anfang. Um Quantencomputing in der Breite anwendbar zu machen, müssen Grundlagen für eine einfachere und vertrauenswürdige Nutzung geschaffen werden. Beteiligt an diesem Standort sind unter anderem das Fraunhofer AISEC, das Fraunhofer IIS und das Fraunhofer IKS.

In Berlin ist das Fraunhofer FOKUS an insgesamt zehn Projekten im Bereich Quantencomputing beteiligt. Eines der prominentesten Projekte ist »PlanQK«, eine Wissensplattform, auf der sich KI- und Quantencomputing-Spezialisten, Entwickler, Nutzer, Kunden, Dienstleister und Berater über quantenunterstützte Machine-Learning-Algorithmen und deren Anwendungen austauschen.

In Hessen treiben Forscher*innen am Fraunhofer SIT und Fraunhofer IGD mit Projekten wie »QuantumRISC« und dem  Aufbau eines Zentrums für Angewandtes Quantencomputing (ZAQC) in Darmstadt die Entwicklung und Implementierung von Post-Quantum-Sicherheitsverfahren, insbesondere für Ressourcen-beschränkte Anwendungen auf eingebetteten Systemen voran, beispielsweise für die Fahrzeugtechnik und für die Industrie 4.0, aber auch für klassische Internet-Anwendungen wie eCommerce und Online-Banking.

Quanten-basierte Ansätze haben das Potenzial, Berechnungen des Maschinellen Lernens, der Künstlichen Intelligenz, der Optimierung und der Numerik drastisch zu beschleunigen. Wie aber müssen Probleme beschaffen sein, damit Quantencomputer ihre Vorteile ausspielen können? Wie müssen dann die Algorithmen für Quantencomputer aufgebaut sein? Diese und weitere Forschungsfragen beschäftigen das Fraunhofer IAIS und Fraunhofer SCAI in Nordrhein-Westfalen.

Die einzigartigen quantenmechanischen Eigenschaften der Qubits können auch in Kommunikationssystemen Anwendung finden. Am Standort Dresden des Fraunhofer IIS/EAS wird aktuell das Applikationszentrums »Design skalierbarer Elektroniksysteme für die Quantenkommunikation« aufgebaut, wo seit Sommer 2022 Experimentier- und Testumgebungen zur Elektronikentwicklung für die vertrauliche Informationsübertragung mittels abhörsicheren Quantenschlüsseln bereitgestellt werden. Auch in Thüringen beim Fraunhofer IOBS-AST und Fraunhofer IOF liegt der Schwerpunkt auf Quantenkommunikation und Quantenphotonik.

Wichtig ist, dass diese Projekte in Deutschland stattfinden. Die Wertschöpfung auf der Grundlage einer starken Wissensbasis findet vor Ort statt, um nachhaltig und lokal Arbeitsplätze, Wettbewerbsfähigkeit und neues Wissen zu generieren.

Hybride Zukunft

Damit es nicht zu Missverständnissen kommt: Quantencomputing wird im Sinne des Next Generation Computing als Ergänzung zu klassischen Hochleistungscomputern verstanden. Es geht nicht darum, alle klassischen Computer zu ersetzen, sondern sie – in Hinblick auf bestimmte Probleme, die besser, schneller oder überhaupt durch Quantencomputer gelöst werden können – zu ergänzen. Die Vision ist eine effiziente Schnittstelle, welche die verschiedenen Systeme nutzt, um je nach Problem schnellstmöglich eine Lösung präsentieren zu können.

Erst vor kurzem hat die Bundesregierung zwei Milliarden Euro bereitgestellt, um bis 2025 einen eigenständigen deutschen Quantencomputer zu entwickeln. Man hat erkannt, dass dieses Thema unabdingbar für die technologische Souveränität Deutschlands und Europas ist. Dank ihrer breiten und tiefgehenden Forschungskompetenz und langjährigenr Partnerschaft mit der Industrie ist die Fraunhofer-Gesellschaft optimal positioniert, um das Quantenzeitalter in Europa einzuläuten und die erstmals real existierenden Technologien in die Anwendung zu bringen.

(jme/hve)



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