Der erste voll integrierte Quantencomputer auf deutschem Boden steht in Ehningen – betrieben von der Fraunhofer-Gesellschaft. Was zeichnet die heutige Generation der Quantencomputer aus? Welches Potenzial bietet der Forschungsstandort Deutschland? Warum lohnt es sich gerade jetzt in das Thema einzusteigen? Frau Dr. Hannah Venzl, die Leiterin der Geschäftsstelle des Fraunhofer-Kompetenznetzwerks Quantencomputing, gibt Aufschluss im Interview.

Frau Dr. Venzl, Quantencomputer funktionieren anders als herkömmliche Hochleistungsrechner. Lässt sich trotzdem eine Vergleichbarkeit in Bezug auf die Leistung herstellen – wenn man etwa den IBM Q System One Quantencomputer im Kompetenzzentrum Quantencomputing Baden-Württemberg mit einem Supercomputer vergleicht?

Dazu muss ich kurz ausholen. Unter Supercomputern versteht man für ihre Zeit besonders schnelle Computer, unabhängig von deren Bauweise – entscheidend ist, dass es sich um universell einsetzbare Rechner handelt. Deren Leistungsfähigkeit wird in Flops gemessen, was im Quantencomputing nicht unbedingt die entscheidende Rolle spielt – hier geht es weniger um Quantität als um Qualität. Was man aber jetzt schon weiß: Ein universeller Quantencomputer könnte Aufgaben lösen, an denen ein klassischer Computer aufgrund der Komplexität scheitert – z.B. die Faktorisierung von sehr großen Zahlen, also Primzahlzerlegung, oder auch die Suche in großen Datenbanken.

Wichtig ist, dass Quantencomputer einfach eine komplett andere Funktionsweise haben 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. Das ist etwas sehr Abstraktes, das Albert Einstein als »spooky action at a distance« bezeichnet hat, weil er nicht glauben konnte, dass es möglich ist.

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 Berechnungen möglich machen, die auf einem klassischen Computer nicht oder nur schlecht funktionieren. Das bedeutet aber auch, dass man neue Algorithmen speziell für diese neuen Systeme entwickeln muss. Die bekannten, von Peter Shor und Lov Grover in den 1990er Jahren entwickelten Algorithmen, sind ein Beispiel dafür. Allerdings bräuchte man für deren praktisch relevante Anwendung einen nahezu perfekten universellen Quantencomputer mit beliebig vielen Qubits, wovon wir noch weit entfernt sind.

Das heißt, große Probleme mit aktuellen Quantencomputern zu lösen, ist noch ferne Zukunftsmusik?

Das würde ich so nicht sagen. Innerhalb von zehn Jahren hat sich der Bereich von einem Orchideenfach zu einer anwendungsorientierten Zukunftsdisziplin entwickelt. Ich erinnere mich noch daran, als ich 2011 in dem Bereich theoretische Quantenoptik promovierte. Zu dieser Zeit war Quantencomputing für uns ein rein akademisches Fach. Natürlich waren auch damals schon Firmen wie IBM bei dem Thema aktiv, aber wir waren noch weit von konkreten Anwendungen entfernt. Als ich vor sechs Jahren zu Fraunhofer kam, waren die Erwartungen auch noch sehr langfristig angelegt. Inzwischen hat die Entwicklungsgeschwindigkeit stark zugenommen.

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. 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 solchen Systemen adressieren lassen. Zudem bietet sich die Chance, auf echten Quantenrechnern Erfahrungen zu sammeln. Schon die Entwicklung neuer Hardware verlief gerade in den letzten Jahren unglaublich rasant – somit wird auch die Qubit-Zahl sehr schnell wachsen.

Sie haben erwähnt, dass es Probleme gibt, die sich für die Berechnung mit Quantencomputern eher eignen als andere. Was ist hier der entscheidende Faktor?

Hier geht es vor allem um die Komplexität: Nehmen wir als Beispiel die Materialentwicklung oder das Design neuer Wirkstoffe in der pharmazeutischen Forschung. Computerbasierte Ansätze bilden dabei schon seit langem die Grundlage neuer Entwicklungen. Klassischen Computern sind in diesen Fällen jedoch enge Grenzen gesetzt. Ein Quantencomputer hat dieses Problem nicht: Das Zusammenspiel der Qubits in einem Quantencomputer ist dem Zusammenwirken von Atomen und Molekülen in einem Material oder in einem Wirkstoff sehr ähnlich – in beiden Fällen handelt es sich um derart kleine Systeme, dass die Gesetze der Quantenphysik gelten.

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

Nun hat das Thema Quantencomputing zwar in den letzten Jahren medial immer mehr Aufmerksamkeit bekommen. Aber erst vor kurzem hat die Bundesregierung 2 Milliarden Euro bereitgestellt, um in den nächsten fünf Jahren ein eigenständiges deutsches Quantensystem zu entwickeln. Hinken wir im Vergleich zu den USA und China hinterher?

Meiner Meinung nach wird die neue Förderung die Entwicklung in Deutschland stark beschleunigen. Man hat erkannt, dass dieses Thema unabdingbar für die technologische Souveränität Deutschlands und Europas ist. Die Wertschöpfung auf der Grundlage unserer starken Wissensbasis soll eben vor Ort stattfinden, um Arbeitsplätze, Wettbewerbsfähigkeit und neues Wissen zu generieren.

Natürlich wird in den USA oder China ein Vielfaches an Geld in die Entwicklung auf diesem Gebiet investiert. Allerdings haben wir in Deutschland unglaublich viel Expertise in der Wissenschaft und Grundlagenforschung. Wir verfügen über eine hochinnovative, mittelständisch geprägte Zulieferindustrie, die die nötigen Technologien bereitstellen kann. Außerdem besitzen wir ein breites Feld an potenziellen Anwendern, z.B. Konzerne, die Molekülsimulationen durchführen oder neue Materialien entwickeln wollen. Aber auch große Unternehmen müssen in dem Bereich Experten ausbilden und verstehen, welche ihrer Herausforderungen sich mit Quantencomputern lösen lassen. Dadurch können Firmen jetzt ihre Wettbewerbsfähigkeit sichern und Expertise aufbauen. Wir als Fraunhofer-Gesellschaft, insbesondere durch das Fraunhofer-Netzwerk Quantencomputing, haben die Möglichkeit und Fachkompetenz, hier umfassend zu unterstützen, unter anderem durch Weiterbildungen. Wir führen aber auch Auftragsforschungsprojekte durch bzw. begleiten sie von Anfang an. Durch unsere Zusammenarbeit mit der Industrie kennen wir die Bedarfe der einzelnen Branchen. Auf dieser Basis ist es wichtig, jetzt die Kompetenz auszubauen. Würden wir abwarten bis zum Erscheinen des perfekten Quantencomputers, wäre es zu spät.

Das bedeutet auch, dass neue Berufsperspektiven entstehen?

Man muss sich darüber im Klaren sein, dass es das eigenständige Berufsbild »Quantencomputing -Spezialist*in« noch nicht gibt. Aber es werden inzwischen erste Studiengänge in dem Bereich entwickelt. Genau hier müssen wir auch ansetzen: Damit die Wertschöpfung nicht abwandert, müssen wir in Deutschland Ausbildungs- und Qualifizierungsmöglichkeiten sowie Berufsperspektiven schaffen. Wenn wir jetzt mit den Lernprozessen warten, werden uns die Experte*innen fehlen, sobald es Hochleistungsquantencomputer gibt. Die entsprechenden Forscher*innen – auch in den Firmen – sind vor allem Physikerinnen, Informatiker und Mathematikerinnen. Momentan existieren deutlich mehr Stellenangebote als gut ausgebildete Quantencomputing-Expert*innen.

Der zweite Teil des Interviews erschien am 26. Mai und setzte sich mit konkreten Anwendungsfällen für das Quantencomputing, den Vorteilen für Unternehmen und andere Interessierte und den Nutzungsmöglichkeiten des Quantencomputers in Ehningen auseinander.

Am 26. und 27. Mai findet der Bitkom Quantum Summit 2021 statt. Die Fraunhofer-Gesellschaft wird an beiden Tagen Teil des Programms sein. Vom Fraunhofer-Kompetenznetzwerk Quantencomputing werden sich u.a. dessen Sprecher, Prof. Dr. Manfred Hauswirth, und der Direktor des Netzwerks, Raoul Klingner, mit eigenen Beiträgen einbringen. Hier geht es zum Programm.

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