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Quantencomputer

Die nächste Revolution

Von Bastian Benrath
 - 17:24
IBMs Quantencomputer „System Q“ ist auf der Elektronikmesse CES in Las Vegas zu sehen.

Im Ballungsraum von Lissabon wohnen knapp drei Millionen Menschen. Neben zahlreichen schönen Dingen, die Portugals Hauptstadt zum beliebten Urlaubsziel machen, produzieren sie leider auch: Stau. Lissabon ist im Berufsverkehr berüchtigt für seine verstopften Straßen. Während im vergangenen November der „Web Summit“ in der Stadt am Atlantik zu Gast war, eine der führenden Digitalkonferenzen der Welt, versuchte sich Volkswagen an einer Lösung für dieses Problem – mit Hilfe eines Quantencomputers.

Der Autohersteller rüstete neun Busse der städtischen Verkehrsgesellschaft mit einem selbst entwickelten Navigationssystem aus. Die Busse verbanden auf vier Linien die 26 am stärksten frequentierten Haltestellen der Stadt. Diese ermittelte Volkswagen anhand anonymisierter Positionsdaten. Die Busse erhielten dann vom Quantenrechner im Hintergrund stets ihre individuell schnellste Route. Da sie zumindest rechnerisch nie selbst einen Stau verursachten und andere Verstopfungen frühzeitig umfahren konnten, sollten sie mehrere tausend Menschen schneller an ihr Ziel bringen.

VW will das System zur Marktreife weiterentwickeln. Die Idee ist, dass Städte ihren Busverkehr zu Großereignissen mit temporären Verbindungen ergänzen können, die genau die Haltestellen mit dem höchsten Fahrgastaufkommen bedienen. VW zufolge ist das System so angelegt, dass es theoretisch auf jede Stadt und jede Größe einer Fahrzeugflotte anwendbar ist. Für den Autohersteller ist das ein spannendes Geschäftsfeld: Bald könnten städtische Verkehrsbetriebe oder auch Taxiunternehmen zu Kunden werden.

Bits vs. Qubits

Der Grund, warum VW – und ebenso unter anderem Daimler, BMW, Ford, Toyota und Airbus – für solche Modellierungen auf Quantencomputer setzen, ist, dass diese deutlich besser als bisherige Computer in der Lage sind, Optimierungsprobleme zu lösen.

Um das zu verstehen, braucht es einen kleinen Exkurs in die Informatik: Die grundlegende Recheneinheit eines normalen Computers ist ein Bit. Dieses kann die Werte 0 oder 1 annehmen; durch Aneinanderreihungen von Bits lassen sich alle Arten von Daten digital darstellen. Ein Quantenrechner arbeitet hingegen mit Qubits, eine Abkürzung von „Quantum Bits“. Diese können nicht nur die Zustände 0 oder 1 annehmen, sondern auch alle dazwischen. Sogar eine Überlagerung verschiedener Zustandskombinationen ist möglich, die sogenannte Superposition.

Man kann sich das als Münze vorstellen: Bei einem normalen Bit zeigt die Münze immer entweder Kopf oder Zahl. Bei einem Qubit hingegen kann die Münze auch auf ihrer Kante kreiseln und so viel mehr Zustände annehmen. Dadurch sind in einem Qubit deutlich mehr Informationen gespeichert als in einem Bit – und es sind parallele Rechenoperationen möglich. Verkoppelt man dann auch noch mehrere Qubits miteinander, steigt die Zahl der möglichen Kombinationen und damit die Rechenleistung exponentiell. Das Ergebnis: Riesige Datenmengen können im Vergleich zu herkömmlichen Computern in deutlich kürzerer Zeit bewältigt werden.

Wer sich solch einen Wunderrechner einmal ansehen will, wird möglicherweise enttäuscht sein. Zumindest aber überrascht. „Es gibt nicht so furchtbar viel zu sehen“, sagt Dirk Wittkopp, deutscher Chefentwickler von IBM, dessen Team an den Quantencomputern des amerikanischen Konzerns maßgeblich mitgearbeitet hat. Das stimmt nicht ganz. Denn: Es gibt durchaus etwas zu sehen, nur ist es nicht im eigentlichen Sinne der Computer, den man sieht.

Stattdessen fallen vor allem die Kühlaggregate auf. Denn heutige Quantenchips bestehen aus einem supraleitenden Material, also einem, das keinen elektrischen Widerstand besitzt. IBM beispielsweise baut Quantenchips auf Silizium-Basis. Dieses erhält seine supraleitenden Eigenschaften aber erst, erklärt Wittkopp, wenn es fast auf den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt wird. Deshalb hängen Quantencomputer stets von der Decke herab und werden nach unten hin immer kälter.

Am absoluten Nullpunkt

Der Quantenprozessor selbst arbeitet bei IBM dann bei einer Temperatur von 15 Millikelvin – also nur einem Hauch mehr als die minus 273,15 Grad Celsius, die am absoluten Nullpunkt herrschen. Die quantenmechanischen Prozesse in seinem Innern sind sehr empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen, Erschütterungen und sogar dem Magnetfeld der Erde, weshalb der Rechner von all solchen Einflüssen abgeschirmt werden muss.

Trotz aller Euphorie, die um Quantenrechner herrscht, müsse man sich jedoch eins klarmachen, sagt Wittkopp: „Nichts davon wird die heutige IT ersetzen.“ Die digitale Informationstechnologie mit ihrer genau vorhersagbaren Art, Daten zu verarbeiten, werde weiterhin die Grundlage bleiben. „Meine Vorstellung ist, dass wir nach wie vor in der traditionellen Welt programmieren und dann mehr oder weniger automatisch, ohne dass jeder die Details kennen muss, bestimmte Aufgaben an ein Quanten-System geben und die Ergebnisse dessen in die traditionelle IT eingebettet werden.“

Die Quantencomputer, die es heute schon gibt, funktionieren genau so. Udo Helmbrecht, Professor an der Universität der Bundeswehr München und ehemaliger Präsident des Bundesamts für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI), erklärt: „Nach der Rechnung auf dem Qubit folgt eine Messung mit Hilfe einer statistischen Methode, die den Wert 0 oder 1 zurückgibt, der dann wieder von einem herkömmlichen Computer weiterverarbeitet werden kann.“ Rein von der Geschwindigkeit her helfen Quantencomputer der bisherigen IT ziemlich auf die Sprünge. Google, das ebenso wie IBM an Quantenrechnern forscht, stellte kürzlich einen Computer mit 53 Qubits vor und erbrachte den Beweis, dass dessen Berechnungen nicht mehr von einem klassischen Rechner simuliert werden konnten.

„Durch den Berg hindurchgehen“

Doch Rechenleistung ist nicht alles: „Quantencomputer sind wesentlich schneller als klassische Rechner. Auf der anderen Seite haben wir aber bisher nur wenige Algorithmen, die auf Quantencomputern funktionieren“, sagt Helmbrecht: „Wir stehen bei der Technologie noch in den Kinderschuhen. Und ob es den Durchbruch in fünf, zehn oder erst in 30 oder 40 Jahren gibt, weiß heute noch keiner.“ Er und Wittkopp stimmen darin überein, dass die Technologie vielversprechend ist, es aber vor allem noch Forschung an Algorithmen braucht, bis ihr Potential genutzt werden kann.

Schon existierende Anwendungen, etwa das eingangs erwähnte Projekt von VW, sind deshalb eher als Experimente zu sehen. Dieses wurde indes auf einem sogenannten „Quanten-Annealer“ des kanadischen Unternehmens D-Wave durchgeführt. Annealing ist eine andere Art von Quanten-Architektur, die sich von den „universalen“ Quantencomputern von IBM und Google unterscheidet. Bei ihr kommen wesentlich mehr Qubits zum Einsatz: D-Wave kündigte im vergangenen September an, bald einen Annealer mit 5000 Qubits vorzustellen – der fortgeschrittenste universale Quantenrechner von Google hat, wie oben erwähnt, 53 Qubits.

Vereinfacht gesagt, lässt sich auf einem universalen Quantenrechner theoretisch jede Art von Quantenoperation durchführen, während ein Annealer nur eine bestimmte Art von Rechenoperationen durchführen kann, die sich aber insbesondere für Optimierungsprobleme sehr gut eignen. Helmbrecht erklärt dessen Funktionsweise mit einer Analogie: „Wenn ich als Wanderer durch ein Gebirge muss, geht das am besten, wenn ich möglichst wenig Steigungen überwinden muss.“ Und er fährt fort: „Es gibt den quantenmechanischen Effekt des ‚Tunneling‘, das heißt, in der Quantenwelt kann man ‚durch den Berg hindurchgehen‘, und damit genau den Weg in das tiefste Tal finden.“

D-Wave macht sich dieses Phänomen in seinem Quanten-Annealer zunutze, indem dieser zu einem Optimierungsproblem immer die Lösung findet, die am wenigsten Energie verbraucht. Quanten-Annealer bieten damit eine neue, schnellere Lösungsmethode für eine sehr verbreitete Art von Problemen. Denn optimieren muss jeder: nicht nur Verkehrslenker, sondern etwa auch Banken. Deshalb verfolgt etwa die Investmentbank Goldman Sachs die Quantentechnologie sehr aufmerksam. „Wir glauben, dass das möglicherweise zu einer entscheidenden Technologie werden wird“, sagte jüngst ihr Entwicklungschef Paul Burchard der „Financial Times“. Konkrete Anwendungsfälle sind etwa Risikoeinschätzungen, Wertpapierhandel oder Portfoliomanagement.

Nichts ist mehr sicher

Für universale Quantencomputer gibt es hingegen Helmbrecht zufolge bislang im Wesentlichen zwei Algorithmen. Einer davon ist der „Shor-Algorithmus“. Dieser ist insbesondere für Sicherheitsfachleute interessant, denn er dient zur Primfaktorzerlegung, also der Darstellung einer Zahl als Produkt aus mehreren Primzahlen. Damit wird er zur Gefahr für die heutige Kryptographie, denn auf einem Quantencomputer wäre der Algorithmus theoretisch in der Lage, heutzutage verbreitete Verschlüsselungen in überschaubarer Zeit zu brechen – während herkömmliche Computer dafür viele Jahrzehnte bräuchten.

Zurzeit hält der Stand der Technik den Algorithmus noch im Zaum, denn es gibt noch keine Quantencomputer mit so vielen Qubits, um den Shor-Algorithmus auf ihnen effizient einsetzen zu können. „Die gute Nachricht ist: Man rechnet damit, dass ein entsprechender Quantencomputer erst in eher zehn als fünf Jahren verfügbar sein wird“, sagt Helmbrecht: „Dennoch muss man sich darauf vorbereiten, indem man zum Beispiel in die Entwicklung von Post-Quantum-Algorithmen investiert.“

Der Weg scheint vorgezeichnet. Jack Hidary, Quantenfachmann von Google, warnt jetzt schon vor der sogenannten RSA-Kryptographie, auf der viele heute verwendete Systeme zur verschlüsselten Datenübertragung basieren. „Wenn wir wollen, dass eine heute verschickte Nachricht auch in 10 oder 20 Jahren noch geheim ist, müssen wir jetzt aufhören, RSA zu verwenden und auf alternative Methoden umsteigen.“

Quantencomputer können indes nicht nur rechnen. Ihre Qubits können auch dazu genutzt werden, Atome und Moleküle zu simulieren. Besonders hilfreich ist das für die Entwicklung neuer Batterien für E-Autos – denn die chemische Reaktion, die in ihnen abläuft, ist von ihrer Natur her eine quantenmechanische. Klassische Computer sind sehr schlecht darin, quantenmechanische Prozesse zu simulieren.

Wirtschaft im Quantenfieber

Insofern könnte der erfolgreiche Einsatz eines Quantencomputers Autoherstellern oder anderen Batteriekonstrukteuren einen signifikanten Wettbewerbsvorteil bringen. Daimler und IBM stellten auf der Elektronikmesse CES in Las Vegas gerade ein gemeinsames Forschungsprojekt vor, das auf einem Quantencomputer eine Lithium-Schwefel-Batterie simuliert. Man nimmt an, dass diese eine höhere Energiedichte als die bislang gebräuchlichen Lithium-Ionen-Batterien bieten kann. Andere Autohersteller forschen ebenso an Quantentechnologie. Auch für die Entwicklung neuer Materialien, die Chemie und die Pharmaindustrie ist sie wegen ihrer Simulationsfähigkeiten interessant.

Hidary sieht die Welt schon mittendrin in der Quanten-Revolution. „Die Technologie steht noch am Anfang, aber sie beginnt schon, fühlbare Auswirkungen zu haben“, sagt der Fachmann aus dem Silicon Valley. In seinem Buch „Quantum Computing: An Applied Approach“ nennt er weitere Beispiele, in denen Quantentechnologie schon Ergebnisse zeigt. Wissenschaftler der Universität Nottingham konstruierten etwa im vergangenen Jahr ein Gerät, das mit Hilfe von Quantentechnologie einfacher und billiger Hirnströme messen kann als derzeit eingesetzte Maschinen. „Es ist vorstellbar, dass medizinische Quantenmessgeräte in den nächsten drei Jahren in die Kliniken kommen“, glaubt Hidary.

Während die Wissenschaftler also noch zögerlich sind, steigt in der Wirtschaft das Quantenfieber. In der Politik übrigens auch: Die EU startete schon im Jahr 2016 ein „Flaggschiffprojekt Quantum“, das bis 2026 insgesamt eine Milliarde Euro für die Entwicklung der Technologie in Europa bereitstellen soll. Indes soll auch Deutschland bald Quantencomputer bekommen. IBM wird voraussichtlich im vierten Quartal dieses Jahres in Zusammenarbeit mit der Fraunhofer-Gesellschaft seinen ersten Quantencomputer außerhalb Amerikas hierzulande in Betrieb nehmen. Parallel hat der Annealing-Marktführer D-Wave eine Kooperation mit dem Forschungszentrum Jülich in Nordrhein-Westfalen geschlossen. Dorthin soll ein Quanten-Annealer kommen.

Quelle: F.A.Z.
Autorenporträt / Benrath, Bastian
Bastian Benrath
Redakteur in der Wirtschaft.
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