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Quantencomputer: »Wir könnten in einigen Bereichen noch Erster werden«

Deutschland hat seinen ersten Quantencomputer. Fraunhofer-Koordinator Oliver Ambacher spricht im Interview über die ersten Anwendungen und wo Deutschland noch aufholen muss.
Der erste Quantencomputer Deutschlands

Mitte Juni präsentierte IBM in Zusammenarbeit mit der Fraunhofer-Gesellschaft das Quantum System One, das in der IBM-Zentrale in Ehningen nahe Stuttgart steht. Die Nutzung des Quantencomputers geschieht exklusiv durch Fraunhofer und Partner, die über ein Ticketsystem Zugriff auf das System erhalten. Oliver Ambacher, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg, koordiniert das Projekt. Im Interview erzählt er, ob das Zeitalter des Quantencomputing nun auch in Deutschland angekommen ist und wo noch nachgebessert werden muss.

»Spektrum.de«: Seit Kurzem steht der erste Quantencomputer Deutschlands zur Nutzung bereit. Was berechnen sie derzeit konkret auf dem System in Ehningen?

Oliver Ambacher: Wir finden derzeit heraus, was der Quantencomputer gut kann und was nicht und wie man ihn in seiner Leistungsfähigkeit steigern kann. In unserer Gruppe bei Fraunhofer haben wir damit begonnen, quantenchemische Reaktionen von Metallatomen mit Wasserstoffatomen zu simulieren. Dies ist eine gute Testanwendung, da wir hier mit Fehlern, die die Systeme immer noch machen, vergleichsweise gut umgehen können. Das Land Baden-Württemberg hat Mittel für sechs Forschungsprojekte für Mitglieder des Kompetenzzentrums bereitgestellt, die die Leistungsfähigkeit des Quantencomputers in den Bereichen Quantenchemie, Logistik, Finanzwesen und Robustheit von Netzwerken evaluieren.

Oliver Ambacher | Der Professor für Leistungselektronik an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg leitet das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg. Er koordiniert mit seinem Institut und dem Fraunhofer IAO in Stuttgart das Kompetenzzentrum »Quantencomputing Baden-Württemberg« und in dessen Rahmen auch die Zusammenarbeit am IBM Q System One in Ehningen.

Wie kann ich als Firma oder Forschungseinrichtung auf den Quantencomputer zugreifen? Muss ich eine bestimmte Software beherrschen oder Quantenphysiker im Team haben?

Ein physikalisches Grundverständnis hilft sicherlich. Wir bringen momentan auch Studierenden des 6. Semesters bei, wie der Computer funktioniert und wie man ihn programmieren kann. Die Studierenden können ungefähr nach zwei, drei Wochen erste Schritte mit dem System in Ehningen machen und erste Algorithmen mit der Programmiersprache Qiskit von IBM testen. Man muss also nicht Quantenphysik studiert haben, um erste Erfahrungen zu sammeln. Um auf das System konkret zugreifen zu können, muss man Mitglied im Kompetenznetzwerk werden und ein Ticket erwerben, das kostet zirka 11 000 Euro pro Monat. Dann können Sie direkt über den Laptop auf die 27 Qubits (siehe Infokasten) des Quantencomputers zugreifen.

Kleines Quantencomputer-Glossar

Qubit

Ein traditioneller Computer speichert Informationen in Form von Bits. Ein Bit kann zwei Zustände annehmen, entweder Null oder Eins. Je mehr Bits es gibt, desto mehr Zahlen und desto mehr Informationen können dargestellt werden. Ein Quantencomputer dagegen rechnet mit Quantenbits, kurz Qubits. Die können ebenfalls Null oder Eins repräsentieren, aber, und das ist der Unterschied, auch gleichzeitig Null oder Eins sein. Zwei Qubits können somit vier gleichzeitige Zustände annehmen, drei Qubits bereits acht, und 20 Qubits mehr als eine Million (2 hoch 20) Zustände. Dieser so genannte Quantenparallelismus führt dazu, dass Quantencomputer im Vergleich zu einem klassischen Computer Berechnungen nicht nur hintereinander (seriell), sondern gleichzeitig (parallel) durchführen – und somit viel mehr Informationen in viel kürzerer Zeit speichern können.

Superposition und Verschränkung

Qubits machen sich zwei elementare quantenmechanische Prozesse zu Nutze: Wenn sie gleichzeitig im Zustand von Null und Eins sind (oder theoretisch in allen erdenkbaren Zuständen dazwischen), spricht man vom Zustand der Überlagerung oder auch Superposition. Zudem wechselwirken Qubits mit anderen Qubits, was man Verschränkung nennt. Verändert man ein Qubit, reagieren alle mit ihm verschränkten Qubits darauf, auch über lange Strecken hinweg. In den bisherigen Quantencomputern sind allerdings bislang vor allem benachbarte Qubits verschränkt.

Kohärenzzeit

Die Zeit, in denen Qubits im Zustand der Superposition und Verschränkung sind, nennt man Kohärenzzeit. Nur in diesem Zeitraum sind quantenmechanische Berechnungen möglich. Sobald man das Ergebnis misst, fallen die Qubits in den Zustand von entweder Null oder Eins zurück, das System muss dann vereinfacht gesagt neu gestartet werden. Bislang liegt die Kohärenzzeit im Bereich von maximal Millisekunden. Um möglichst lange Berechnungen durchführen zu können, ist es deshalb wichtig, die Kohärenzzeit zu verlängern.

Supraleiter und Ionenfallen

Um Qubits zu erstellen, verwenden die meisten Quantencomputer Supraleiter: Schaltkreise auf Basis von Metallspulen werden dabei fast auf den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt, wodurch sie supraleitend werden. Elektrischer Strom kann in beide Richtungen ohne Widerstand durch sie hindurchfließen, wodurch »künstliche Atome« entstehen. Mit Hilfe von Mikrowellen werden anschließend die Zustandsveränderungen herbeigeführt. Alternativ lassen sich Qubits auch mit Hilfe von Ionenfallen realisieren: Hier werden elektrisch geladene Atome mittels elektrischer und magnetischer Felder im Vakuum festgehalten. Beide Ansätze haben ihre Vor- und Nachteile.

Quantenalgorithmus

Ein Quantencomputer wird zwar mit herkömmlichen Computern gesteuert, allerdings mit speziellen Programmierumgebungen wie Quiskit von IBM. Daraus werden Quantengatter erstellt, mit denen die Qubits angesteuert werden. Ein Quantenalgorithmus ist somit eine Berechnung oder Anwendung, die auf Quantencomputern ausgeführt werden kann.

Quantenüberlegenheit

Der Augenblick, in dem ein Quantencomputer bei der Ausführung einer Aufgabe die besten klassischen Supercomputer übertrifft, wird als Quantenüberlegenheit bezeichnet. Das ist erstmals einem System von Google im Jahr 2019 gelungen, auch wenn die Aufgabenstellung im Anschluss kritisiert wurde. Gemeinhin sollen Systeme ab 50 Qubits in der Lage sein, alle bisherigen Supercomputer abzuhängen. Allerdings ist man noch lange nicht so weit, dass Quantencomputer für universelle Aufgaben eingesetzt werden können. Die bisherigen Systeme sind dagegen auf bestimmte Quantenalgorithmen optimiert.

Wie sehr profitiert Fraunhofer davon, mit einem großen Unternehmen wie IBM zusammenzuarbeiten?

Wir versuchen, uns gegenseitig zu helfen. Ein Problem ist, dass alle derzeitigen Quantencomputer noch Prototypen und somit Einzelanfertigungen sind. Das macht sie teuer, sowohl im Bau als auch im Betrieb. Außerdem bieten alternative Systeme bislang nur einen Zugriff über die Cloud an, die Computer selbst stehen in anderen Ländern. Hier schaffen wir von Fraunhofer und IBM Abhilfe: Universitäten, Spin-offs und Unternehmen kommen unkompliziert und schnell an das System, und wir von Fraunhofer ermöglichen den direkten Zugriff auf die Hard- und Software. Wir können also nicht nur im Simulator, sondern direkt am Objekt lernen, wie etwa die elektrischen Signale verarbeitet werden oder das System kalibriert wird. Das ermöglicht eine steile Lernkurve, die uns dann auch bei der Entwicklung eigener Systeme und Programme hilft.

Bei einer Schlüsseltechnologie wie Quantencomputing möchte man sich nicht zu abhängig von den großen Unternehmen des Silicon Valley wie IBM und Google machen. Wie wichtig ist es, dass nun der erste Quantencomputer auf deutschem Boden steht?

Datenlokalität ist ein starkes Argument. Wer den Cloud-Zugriff auf Systeme in den USA oder anderen Ländern nutzt, hat keine Garantie, was mit den Daten passiert und wer sie einsehen kann. Das ist für viele Firmen mit Geschäftsgeheimnissen, etwa aus der Automobil- oder Pharmabranche, keine Alternative. Für uns ist es wichtig, unseren Partnern zu sagen: Wenn ihr das testet, dann können wir als Administratoren sicherstellen, dass außer den Daten, die in Sachen Exportkontrolle notwendig sind, alles in Deutschland auf dem System verbleibt. IBM ist quasi Wächter der Hardware, wir sind der Administrator, der den Zugriff herstellt und die Datensicherheit gewährleistet.

»Die Frage ist: Können wir da noch aufholen und mit eigenen Entwicklungen auf den Markt kommen?«

Im Mai gab die Bundesregierung bekannt, Quantentechnologie in Deutschland mit zwei Milliarden Euro zu fördern. Zuvor hatten Experten bemängelt, dass Deutschland den Anschluss verlieren könnte. Wie steht es wirklich um den Standort?

Für die Quantentechnologie sind drei Bereiche besonders wichtig: Erstens die Forscher und Entwickler, die das System und dessen Einzelteile konzipieren. Zweitens diejenigen, die es bauen und produzieren möchten. Und drittens die Nutzerinnen und Nutzer. Wir haben in Deutschland und Europa immer wieder die gleiche Situation: Wir sind gut aufgestellt im Bereich der Forschung und Entwicklung, und es gibt ein großes Interesse bei Nutzern, die Quantencomputer als Kerntechnologie betrachten. Woran es bislang hapert, ist beim Bau von kompletten Systemen. Hier sind andere Regionen, etwa die USA oder China, schon weiter.

Wie lässt sich das ändern?

Wenn wir jetzt gut starten, können wir in einigen Bereichen trotzdem noch Erster sein. Ein Ansatz wäre, die Komponenten von Quantencomputern mit klassischen Computern modular zu kombinieren. So könnte der Quantencomputer Berechnungen übernehmen, für die er besonders gut geeignet ist. Er ergänzt somit die Leistungsfähigkeit der klassischen Computer, die weiterhin wie gewohnt zur Ein- und Ausgabe der Daten genutzt werden können. Mit diesen hybriden Systemen erhält man Systeme, die für bestimmte Anwendungen spezialisiert sind und deshalb auch nicht so lange Entwicklungszeiten und so hohe Kosten verursachen. Viele potenzielle Kunden, zum Beispiel in der Auto- oder Chemiebranche, benötigen vermutlich nicht unbedingt das weltbeste System, sondern eines, das am besten ihrer Kosten-Nutzen-Rechnung entspricht.

Wo gibt es das größte Potenzial für deutsche und europäische Entwicklungen?

Die meisten Quantencomputer nutzen derzeit Supraleiter zur Realisierung von Qubits. Die Frage ist: Können wir in dieser Qubit-Technologie noch aufholen und mit eigenen Entwicklungen auf den Markt kommen? Oder sollte man nicht lieber alternative Ansätze verstärkt untersuchen, etwa Systeme auf Basis von Ionenfallen oder Halbleiterstrukturen, deren Herstellung und Verwendung noch nicht so stark durch außereuropäische Firmen patentiert sind? Das könnte mittelfristig der vielversprechendere Weg sein, um Entwicklungen zu kommerzialisieren.

Ein Begriff, der im Zusammenhang mit der Leistungsfähigkeit eines Quantencomputers immer wieder fällt, ist der des Qubits: So heißt es, erst ab etwa 50 Qubits könne ein System die so genannte Quantenüberlegenheit erreichen, also Berechnungen durchführen, die mit bestehenden Supercomputern nicht mehr möglich sind. Sind die Qubits also der wichtigste Teil eines Systems?

So einfach ist es nicht. Wir haben in Ehningen derzeit »nur« 27 Qubits und ein Quantenvolumen von 30. Das ist meines Erachtens vergleichbar mit einem Kleinwagen; wir hätten aber natürlich eines Tages gerne einen Rennwagen. Aber, um bei dem Bild zu bleiben: Wer gleich nach der Fahrschule in den Rennwagen steigt, fliegt vielleicht aus der ersten Kurve. Deshalb ist es für uns zunächst wichtig, ein System verfügbar zu haben, das uns die Entwicklung eigener Algorithmen ermöglicht und uns mit der Technik vertraut macht.

Aber wie wichtig ist die Anzahl der Qubits denn nun?

Qubits sind physikalisch miteinander überlagert oder verschränkt, sprich: Sie wechselwirken. Diese quantenmechanischen Effekte ermöglichen dem Quantencomputer die simultane Berechnung einer enorm hohen Anzahl von Zuständen. Theoretisch wäre es deshalb möglich, die Leistung der Quantencomputer mit jedem zusätzlichen Qubit zu verdoppeln. Das ist in der Praxis aber noch nicht gegeben: In den jetzigen Systemen wechselwirken die supraleitenden Qubits vor allem mit ihren unmittelbaren Nachbarn. Die Herausforderung liegt darin, eine Architektur zu schaffen, die nicht nur viele steuerbare Qubits hat, sondern auch eine möglichst starke Wechselwirkung aller Qubits über eine möglichst lange Zeit verschafft. Und selbst, wenn das gelingt, ist entscheidend, wie viele Operationen man hintereinander ausführen kann, bevor das System wieder neu konditioniert werden muss, und wie man die so genannte Kohärenzzeit optimiert. Auf diese drei Dinge – die Anzahl der Qubits, die Verschränkung und die Kohärenzzeit – kommt es auf physikalischer Seite an.

Und auf der nicht physikalischen Seite?

Gerade auf Softwareseite gibt es noch extrem viel zu tun. Beim Quantencomputing gibt es keine Nullen und Einsen, und folglich auch kein Excel und Word. Die existierenden Programme wie Qiskit eignen sich derzeit nur bedingt, um zum Beispiel quantenchemische Prozesse oder logistische Abläufe auf Knopfdruck zu optimieren. Ich bin aber davon überzeugt, dass sich diese Situation vergleichbar zur Entwicklung der klassischen Computer sehr schnell ändert.

»Die Studierenden haben mitbekommen, dass hier etwas Innovatives passiert«

Jetzt ist der erste Quantencomputer in Deutschland da, und weitere Systeme, etwa in Jülich, stehen kurz vor dem Start: Müsste man nun bereits beginnen, gezielt Leute auf die Technik hin zu schulen?

Ja, wir müssen das Thema Quantencomputing ganzheitlich denken. Im Konjunkturprogramm steht explizit auch der Aufbau eines Ausbildungsnetzwerks. Wir setzen uns intensiv mit anderen Einrichtungen zusammen, um zu evaluieren, wie wir Studiengänge mit Kurzzeitschulungen flankieren, um der Industrie in wenigen Monaten und Jahren quasi »Ingenieure für Quantencomputing« zur Verfügung stellen zu können. Die Studierenden jedenfalls haben mitbekommen, dass hier etwas Innovatives passiert – und sie sind höchst interessiert.

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