Quantencomputer in Deutschland

„In fünf Jahren wollen wir einen wettbewerbsfähigen Rechner“

Von Stephan Finsterbusch
20.01.2021
, 14:44
Deutschland stellt zwei Milliarden Euro bereit für Quantencomputer. Regierungs-Berater Peter Leibinger erklärt, was damit geschehen soll.

Um die Technik von morgen ist ein heißer Wettbewerb entbrannt. Quantencomputer stehen dabei ganz oben auf der Agenda – in Amerika, in China, Japan und Europa. Die Staaten stecken große Beträge in die Grundlagenforschung.

Die Bundesregierung stellte nun weitere zwei Milliarden Euro bereit. Für ihre Verwendung gibt es nun eine ambitionierte Roadmap. Unternehmen wie VW, Zeiss, Trumpf und Böhringer Ingelheim suchen schon nach Anwendungen, IT-Konzerne wie Google und IBM bauen schon die ersten Rechner.

Mittlerweile bahnt sich die Quantentechnologie der zweiten Generation den Weg von den Forschungsinstituten in die Wirtschaft. Sie will quantenmechanische Effekte nicht mehr nur passiv nutzen, sondern aktiv herstellen. Das aber ist überaus kompliziert – denn die Welt der kleinsten Teilchen kennt ihre eigenen Gesetze.

Peter Leibinger (54), Sprecher des Expertenrates Quantencomputing der Bundesregierung, Ingenieur und beim schwäbischen Maschinenbauer Trumpf verantwortlich für Forschung und Entwicklung, Vertrieb und Service, Auf- und Ausbau neuer Geschäftsfelder, erklärt, wie die Roadmap aussieht und was nun getan werden soll.

Herr Leibinger, Deutschland spielt bei der Erforschung und Entwicklung von Quantentechnologie bislang eine führende Rolle. Haben wir angesichts der gewaltigen Ressourcen, welche Amerikaner und Chinesen in diese Forschungsfelder pumpen, die Kraft, weiterhin vorne mitzuspielen?

Ja. Wir waren hier früh am Ball, und die Bundesregierung hat im Rahmen ihres Konjunkturpakets im vergangenen Jahr angekündigt, weitere zwei Milliarden Euro bis 2024 in die Forschung und Entwicklung von Quantencomputing zu stecken.

Und das reicht?

Das ist ein wirklich großer Schritt. Denn da wird viel Basistechnologie entwickelt, die auch für andere Quantentechnologien gebraucht wird. Wir haben in Deutschland über die vergangenen Jahre schon einen zwei- bis dreistelligen Millionenbetrag jährlich in Forschungen und Entwicklungen in der Photonik, also der technischen Nutzung von Licht, gesteckt. Die photonische Quantentechnologie ist davon ein Teilgebiet. Das klingt erst einmal viel, doch die Photonik ist auch ein großes Feld. Nun kommen zwei Milliarden Euro obendrauf allein für die Quantentechnologie. Und das ist gut.

Dieser Fördertopf ist hierzulande einer der größten seiner Art. Wie wird er bedient?

Wir haben Spitzeninstitute und sehr forschungsintensive Unternehmen. Das kostet viel Geld. Das Kanzleramt hat einen gemeinsamen Expertenrat berufen, damit die einzelnen Ressorts hier nicht getrennte Wege gehen, damit die Industrie von Anfang an mit am Tisch sitzt, und damit wir schnelle und gute Ergebnisse bekommen.

Ist da produktseitig schon etwas zu erwarten?

Die ersten Produkte, die wir erwarten, kommen wohl aus der Quantensensorik sowie aus dem Quantenimaging, also der Projektions-Technologie und bildgebenden Verfahren in der Medizin. Das könnte das tägliche Leben schon verändern. Darüber hinaus wird die Quantentechnik in der Kryptografie, also in der Verschlüsselung von Daten, schon bald eine zentrale Rolle spielen.

Hier mischen in Amerika und China vor allem die Militärs und die Luftfahrtindustrie mit. Wie ist das in Europa?

Beide Industrien liegen nah beieinander. Das ist in Amerika so, in China – und zu gewissem Maß auch in Europa. Wir müssen bei dieser Entwicklung einfach dabei sein, um souverän und autonom zu bleiben und nicht in Abhängigkeiten zu geraten.

Und wie ist die Lage in Deutschland?

Die Bundeswehr könnte auch eine wichtige Rolle spielen. Aber wichtig ist derzeit vor allem, dass Wirtschafts- und Forschungsministerium an einem Strang ziehen. Wir hoffen, dass auch das Deutsche Zentrum für Raumfahrt (DLR) eine tragende Rolle spielen wird und sich in die Roadmap einfügt. Denn Quantentechnologie wird bei Satelliten eine große Rolle spielen. Und das DLR ist dem Wirtschaftsministerium angeschlossen. So verfügt es über Förderinstrumente, die etwa ein Forschungsministerium nicht hat.

Zum Beispiel?

Das Wirtschaftsministerium nutzt gezielt das Instrument der hundertprozentigen Auftragsentwicklung, das Forschungsministerium in der Regel nicht. Insbesondere bei der Start-up-Förderung sind hundertprozentige Aufträge für die Entwicklung bestimmter Systeme wichtig.

Warum?

Weil das einen Grundumsatz für die Start-ups erzeugt, den ein junges Unternehmen, das an einer völlig neuen Technologie arbeitet, einfach braucht. In diesem Rahmen passt das DLR bestens in die Roadmap des vom Kanzleramt initiierten Expertenrates.

Wie sieht die Roadmap des Expertenrates aus?

Im Wesentlichen geht es um zwei Dinge. Erstens: Wir geben konkrete Ziele vor. In fünf Jahren wollen wir einen international wettbewerbsfähigen Rechner mit hundert einzeln ansteuerbaren Q-Bits haben. Der ist erweiterbar auf 500 Q-Bits. In zehn Jahren wollen wir den Vorteil von Quantencomputern an praxisrelevanten Problemen demonstrieren können. In fünfzehn Jahren wollen wir einen nutzbaren und kommerziell erwerbbaren Quantencomputer vorweisen.

Und zweitens?

Es gibt Forschungs-Hubs, die sich um Basistechnologien herum bilden – also zum Beispiel Ionenfallen-basierte Quantencomputer –, in denen sich Unternehmen, Start-Ups und Forschungsinstitute gemeinsam speziellen Themen der Quantentechnologie zuwenden. Sie sollen sich im Wettbewerb gegeneinander um Fördermittel zum Aufbau von solchen Hubs bewerben. Die Hubs geben sich selbst Ziele, an denen sie regelmäßig gemessen werden. 2024 wird es dann ein „forced ranking“ geben, bei dem nur die Hubs mit den besten Ergebnissen ausgewählt und weiter gefördert werden. Daneben sollen auch Kompetenznetzwerke geknüpft werden. Beispielsweise würde ein „Kompetenznetzwerk Infrastruktur“ ermöglichen, Labore oder High-Tech-Maschinen gemeinsam zu nutzen. Um einen wirksamen Überbau zu haben, schlagen wir die Gründung einer „Deutscher Quantengemeinschaft“ vor.

Eine Behörde?

Nein, keine Behörde, schon eher ein Verein. Dessen Aufsichtsrat soll durch die Ministerien besetzt werden – nicht, um sich in die Arbeit der Hubs einzumischen, sondern um den Expertenkreis der Quantengemeinschaft zu berufen und etwa zu kontrollieren, wie die Fördergelder ausgegeben werden. Der unabhängige Expertenkreis empfiehlt, welcher Hub den Zuschlag bekommt, und wer seine Ziele erreicht oder verfehlt hat. Die Ausführenden, also die, die das Fördergeld geben, sollen aber die Ressorts des Wirtschafts- und des Forschungsministeriums sein, denn die haben die Instrumente ja schon, da muss man nicht erst neue gründen.

Wie geht es dann weiter?

Wir wollen ein virtuelles Quantencomputer-Rechenzentrum aufbauen, eine Cloud-basierte Quantencomputing-Infrastruktur. Das wollen wir zunächst für den Einkauf von Rechenzeit bei Quantencomputern im Ausland einsetzen. Dieser Einkauf, die Verwaltung und auch die Datensicherheit muss von einer zentralen Stelle organisiert und orchestriert werden. Hier könnte beispielsweise Jülich eine wichtige Rolle spielen.

Was soll das bringen?

Das soll Unternehmen in der Entwicklung von Anwendungen für Quantencomputer in einer sicheren Umgebung auf schon vorhandener Hardware rechnen lassen. Es gibt hier sehr großes Interesse. Es gibt beispielsweise einen Industriekreis von interessierten Firmen, die sich intensiv mit der Anwendung von Quantencomputern beschäftigen. Darauf aufbauend wurde ein lockerer Erfahrungsaustausch organisiert: Was geht, und was geht nicht; was wird probiert, wie sind die Erfahrungen?

Und wie sind die?

Vielversprechend.

Konzerne wie Volkswagen und Böhringer Ingelheim sind mit eigenen Vorhaben schon dabei.

Die Automobilindustrie beschäftigt sich beispielsweise mit der Simulation und Optimierung des Verkehrsflusses. In der Chemie- oder der Pharmaindustrie geht es darum, komplexe chemische und biochemische Vorgänge und Moleküle mit Quantencomputern viel besser, schneller oder überhaupt erst berechnen zu können.

Das aber ist noch Zukunftsmusik.

Ja. Denn mit den heutigen Quantencomputern von IBM oder Google mit 30 oder 50 Q-Bits ist so etwas noch nicht machbar. Aber wir lernen, machen Erfahrungen und sind am Ball. Denn nur in der Praxis lässt sich verstehen, wie sich dieses neue Werkzeug einmal einsetzen lassen wird. Der Ansatz von Böhringer ist für mich zu hundert Prozent einleuchtend.

Wieso?

Weil man so tiefer in eine sehr komplizierte Materie eindringt, im buchstäblichen Sinne des Wortes. Wir müssen erst lernen, diese Anwendungen, diese Software für Quantencomputer zu entwickeln. Hier wird auch die Notwendigkeit zur Autonomie für Deutschland klar. Denn wer Anwendungen entwickelt, also eine Software für die Lösung eines Problems schreibt, befasst sich auch sehr intensiv mit dem Problem selbst, das gelöst werden soll. Man lernt es viel tiefer zu verstehen. Die Quantencomputer-Experten von Google wissen daher genau, mit welchen Molekülen sich Böhringer beschäftigt. In einer frühen Phase der Entwicklung der Anwendung geht das. Später, wenn echte Wirkstoffe entwickelt werden, ist das kritisch.

Wie ist das bei Ihnen im Hause von Trumpf?

Bei Trumpf haben wir schon vor vier Jahren einen Prozess initiiert, der sich mit der Anwendung von Quantencomputern auseinandersetzt. Wir haben erste konkrete Probleme betrachtet, die wir klassisch nicht lösen konnten. Daneben haben zwei unserer Mitarbeiter mit zwei, drei Basisideen ein Start-up namens Q.ant ausgegründet, das Komponenten und Systeme entwickelt und baut. Es hat derzeit 15 Mitarbeiter und die arbeiten selbständig an der Entwicklung von Quantentechnologie. Mit Glück und Durchhaltevermögen kann da durchaus ein gutes Geschäft daraus entstehen.

Was heißt das konkret?

Q.ant schreibt schon Umsatz mit dem Verkauf von Quantensensoren. Und bei der Anwendung haben wir uns die Probleme angesehen, die wir mit Quantencomputern vielleicht lösen können. Es war interessant, wie schnell wir fündig wurden. Aus unseren Entwicklungs-Gruppen kamen binnen kürzester Zeit zahlreiche Vorschläge für Problemstellungen, die analytisch nicht lösbar sind und uns echt behindern.

Und wie waren die Ergebnisse?

Die Lösung mit den vorhandenen Quantencomputern oder Simulationstools war in allen Fällen überaus schwierig. Aber darum ging es gar nicht.

Sondern?

Wir wollten lernen, wie wir mit Quantencomputern umgehen; wie wir ein Problem aufbereiten, damit es „verdaubar“ wird für einen Quantencomputer.

Sie arbeiten schon mit Quantenrechnern?

Ja. Und wir ahmen an Simulatoren den Quantencomputer nach.

Was sind Quantensimulatoren?

Vereinfacht gesagt, sind das herkömmliche sehr leistungsfähige Computer basierend auf Siliziumchips, die einen Quantenrechner mit Q-Bits simulieren. Aber wir haben auch auf einem sogenannten Quanten-Annealer, einer Klasse von Quantencomputern, Rechenzeit besorgt und nach Lösungen für einige der uns interessierenden Probleme gesucht.

Was waren das für Probleme?

Wir hatten etwa ein Justage-Problem, das wir mit heutigen Computern nicht berechnen können.

Was ist das?

Bei einem unserer Spezial-Laser müssen wir die Polarisation des Lichts über den gesamten Strahlengang sauber justieren. Das funktioniert heute tatsächlich, man mag es gar nicht glauben, per Hand durch einen Experten, der dafür nach Gefühl die nötigen Optiken justiert.

Nach Gefühl?

Die Erfahrung des Experten spielt hier eine wichtige Rolle. Für eine High-Tech-Produktion ist das natürlich nicht optimal. Denn dieser Prozess der Justage der Spiegel kann eine halbe Stunde dauern oder auch mal ein paar Tage.

Warum?

Das Problem lässt sich bisher nicht geschlossen berechnen. Das macht es geradezu zu einem Paradefall für Quantencomputer. Wenn es also einen Quantencomputer gäbe, der über eine ausreichende Anzahl fehlerkorrigierter Q-Bits verfügt, dann wäre so etwas für ihn leicht lösbar. Ein anderes Problem, das wir uns angeschaut haben, war ein typisches sogenanntes Travelling-Salesman-Problem, bei dem es um eine recht profan klingende Aufgabe ging, die aber so komplex ist, das ein heutiger Computer mehrere Jahre an ihr rechnen würde.

Um was geht es dabei?

Es geht darum, mit dem Roboter Blechteile von einer Werkzeugmaschine zu entnehmen, die diese Teile schneidet. Dabei gibt es ein Dutzend Randbedingungen, die eingehalten werden sollen. So soll für ihre Herstellung möglichst wenig Material eingesetzt werden, die Teile sollen also gut geschachtelt sein; man möchte den Weg zwischen Teilen optimieren; es soll vermieden werden, dass an gekippten Teilen Kollisionen entstehen. Alles ist gleichzeitig zu optimieren. Das klingt einfach, lässt sich aber nur schwer lösen.

Was tun Sie?

Unsere Experten haben versucht, das Ganze auf dem Quantencomputer zu rechnen. Dabei mussten sie aber das Problem so stark vereinfachen, damit es mit den heute zu Verfügung stehenden Maschinen berechenbar wurde, dass wir kein in der Praxis verwertbares Ergebnis erhielten. Trotzdem ist die Bilanz positiv.

Warum?

Unsere Experten sowohl im Werkzeugmaschinen- als auch im Laserbereich haben selbst nur beim Antippen einer Thematik sofort eine Vielzahl von Problemen benannt, die, wenn wir sie lösen könnten, zum Teil bahnbrechende Verbesserungen bringen würden. Vor diesem Hintergrund ist klar: Wenn es einen nutzbaren und leistungsfähigen Quantencomputer gäbe, wäre das extrem nützlich. Daher ist die Frage, ob die Welt eine solche Maschine braucht, ganz klar mit Ja zu beantworten. Denn was bei uns in der Firma gilt, gilt auch für viele andere. Der Quantencomputer wird zu dem entscheidenden Werkzeug für Hightech Industrienationen werden, das sehen wir schon heute.

Quelle: F.A.Z.
Stephan Finsterbusch  - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Stephan Finsterbusch
Redakteur in der Wirtschaft.
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