Quantentechnologie zum Testen

Quantensprung in Jülich

Von Manfred Lindinger
17.01.2022
, 21:03
Chip des Quantenannealers „Advantage“
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Am Forschungszentrum Jülich steht seit Montag dieser Woche ein kommerzieller Quantenrechner. Es ist ein Rechner der kanadischen Firma D-Wave mit 5000 Quantenbits. Die leistungsfähige Maschine soll vor allem komplexe Optimierungsaufgaben lösen.
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Deutschland holt auf dem Gebiet der Quantentechnologie kräftig auf. Mehr als hundert laufende Projekte, die sich dem Thema widmen, führt das Bundesforschungsministerium mittlerweile auf seiner Homepage. Die Forschungsschwerpunkte reichen von der Entwicklung neuartiger Quantenmaterialien und Quantensensoren, über Verfahren zur abhörsicheren Quantenkommunikation bis zum Bau von leistungsfähigen Quantencomputern. Weil es bislang keinen funktionierenden Quantenrechner „Made in Germany“ gibt, man aber Universitäten, Forschungsinstituten und der Industrie die Möglichkeit geben möchte, Erfahrung mit dieser Art Rechner zu sammeln, hat man sich Unterstützung von Computerherstellern geholt.

Nachdem im vergangenen Jahr der erste kommerzielle Quantencomputer in Europa, das IBM-System „Q Systems One“, in Stuttgart unter dem Dach der Fraunhofer-Gesellschaft in Betrieb genommen wurde, hat das Forschungszentrum Jülich jetzt nachgezogen. An diesem Montag (17. Januar) wurde dort offiziell ein Quantencomputer der kanadischen Firma D-Wave seiner Bestimmung übergeben und im Beisein von Bundesforschungsministerin Bettina Stark-Watzinger (FDP), EU-Kommissarin Mariya Gabriel (Innovation, Forschung, Kultur, Bildung und Jugend) sowie des nordrhein-westfälischen Ministerpräsidenten Hendrik Wüst (CDU) medienwirksam gestartet.

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Die frisch gekürte Bundesforschungsministerin sprach bei einem ihrer ersten Auftritte am Montag auch gleich von einem Quantensprung. „Quantencomputer bieten enorme Chancen für unsere Zukunft und den Forschungsstandort Deutschland.“ Sie hätten das Potential, unseren Alltag zum Besseren zu verändern – etwa mit Blick auf die optimale Nutzung unseres Stromnetzes, der Optimierung von Anlagestrategien am Finanzmarkt oder das Design wirksamerer Medikamente.

Der Quantencomputer von D-Wave in Jülich
Der Quantencomputer von D-Wave in Jülich Bild: Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau

Der Quantenrechner von D-Wave (Advantage) soll wie der IBM-Computer „IBM Q Systems One“ Forschern an Instituten, aber auch Entwicklern in der Industrie zur Verfügung stehen. Er wird deshalb Teil der bestehenden Infrastruktur für Quantencomputing (JUNIQ) in Jülich sein, über das Wissenschaftler aus ganz Europa Zugriff auf „Advantage“, aber auch auf die Supercomputer vor Ort haben und entsprechende Berechnungen durchführen können. Dadurch erhofft man sich besondere Synergieeffekte.

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Zwei Milliarden Euro von der früheren Bundesregierung

Die Erwartungen sind groß. Weil „Advantage“ wie jeder Quantencomputer für seine Berechnungen die Regeln der Quantenphysik nutzt, soll er viele Aufgaben effizient, vielleicht sogar schneller bearbeiten können als ein klassischer Rechner (siehe Kasten). Allerdings handelt es sich bei „Advantage“, der über 5000 supraleitende Quantenbits verfügt, also weit mehr als die Rechner von IBM oder Google, um keinen Quantenrechner im strengen Sinn. Dazu müssten die quantenphysikalischen Recheneinheiten einzeln angesprochen und zu logischen Gattern zusammengeschaltet werden. Bei „Advantage“ befinden sich möglichst viele Qubits in einer Art kollektiven Überlagerung und strebten bei einer laufenden Berechnung dem Zustand der geringsten Energie zu. Ist dieser erreicht, liegt das Ergebnis vor. Forscher sprechen bei dem System von D-Wave deshalb eher von einem Quantenannealer als von einem Quantencomputer.

Als sich der „Vorhang“ hebt, sieht man einen schicken schwarzen Kasten. Alle Komponenten von „Advantage“ – der supraleitende Chip mit den Quantenbits, der Kryostat und die vielen Kabel sind im Inneren untergebracht. Da „Advantage“ wie jeder Quantencomputer einen vibrationsfreien Standort benötigt, hat man in Jülich ein neues Gebäude mit zwei Hallen gebaut. Es steht auf erschütterungsfreien Fundamenten.

Blick ins Innere des Quantenannealers: Zu sehen ist der Kryostat und die Halterung für den Quantenprozessor „Advantage“
Blick ins Innere des Quantenannealers: Zu sehen ist der Kryostat und die Halterung für den Quantenprozessor „Advantage“ Bild: D-Wave

Die Anwendungsgebiete für „Advantage“ sind vor allem Optimierungsprobleme mit vielen Variablen, wie sie bei der Berechnung von Verkehrsflüssen, bei der Nutzung von Stromnetzen oder Optimierung von Anlagestrategien am Finanzmarkt auftreten. „Advantage“ soll auch die komplexen Analysen umfangreicher Daten etwa aus der Teilchenphysik oder der Klimaforschung erleichtern. Auch soll er künstliche Neuronale Netze der KI trainieren. Einige europäische Unternehmen und Banken arbeiten bereits mit D-Wave, um an deren Quantenrechnern am kanadischen Standort in Burnaby Berechnungen durchzuführen. Auch die Forscher in Jülich pflegen seit einigen Jahren die Zusammenarbeit mit D-Wave. Nun können Forscher und Entwickler mit dem System in Jülich arbeiten.

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Einblick darin, wie „Advantage“ genau funktioniert, werden die Anwender aufgrund der Bewahrung von Betriebsgeheimnissen wahrscheinlich nicht bekommen. Es geht jetzt vor allem darum, Fachkompetenz in Deutschland aufzubauen und die Möglichkeiten des Quantencomputings auszuloten. Denn Deutschland habe wie Europa in Sachen Quantencomputer dringenden Nachholbedarf, sagte Bettina Stark-Watzinger.

„Im internationalen Wettbewerb um die Quantenüberlegenheit verliert Deutschland seit Jahren an Boden zur Spitze, obwohl hierzulande hervorragende Grundlagenforschung geleistet wird“, pflichtet auch Mario Brandenburg (FDP) bei. Für den Sprecher für Forschung, Technologie und Innovation und Obmann im Ausschuss für Bildung, Forschung und Technikfolgenabschätzung im Deutschen Bundestag ist der nun eröffnete Quantenannealer im Forschungszentrum Jülich durch die Kombination mit Supercomputern der erste seiner Art weltweit und damit ein beachtlicher Fingerzeig.

Damit Deutschland nicht den Anschluss an die Weltspitze verliert, hat die vorhergehende Bundesregierung bereits zwei Milliarden Euro an finanziellen Mitteln zur Verfügung gestellt und weitere Mittel sollen laut Stark-Watzinger folgen. Das erklärte Ziel ist der Bau mindestens eines leistungsfähigen Quantencomputers „Made in Germany“ in den kommenden fünf Jahren. Die Gelder sind inzwischen freigegeben worden. Universitäten, Forschungsinstitute und mittlere und größere Unternehmen haben sich zu Forschungsverbänden zusammengeschlossen. Bis es einen echten deutschen Quantenrechner geben wird, wird man sich mit den Systemen von IBM und D-Wave begnügen müssen.

Doch es zeichnet sich zumindest ein Silberstreifen am Forschungshorizont in Jülich ab. Dort wird seit einiger Zeit ein eigener Quantencomputer entwickelt. Das System „OpenSuperQ“ soll, so ist das Ziel, über gut 100 Quantenbits im Endausbau verfügen. Es beruht wie das System von D-Wave auf supraleitenden Resonator-Schaltkreisen. Das Betriebssystem wird eine Open-Source-Software sein, über die im Prinzip jeder auf den Quantencomputer zugreifen können soll.

Wie funktioniert ein Quantencomputer?

Riesige Datenbanken in der Zeit eines Wimpernschlags durchforsten, angeblich sichere Codes knacken, komplexe Quantensysteme modellieren oder umfangreiche Optimierungsaufgaben lösen – was selbst einen Supercomputer schnell an seine Leistungsgrenze bringt, wäre für einen Quantenrechner ein Kinderspiel. Denn letzterer funktioniert nach einem ganz anderen Prinzip als ein klassischer PC. Während herkömmliche Computer mit Bits rechnen, die nur die binären Werte „0“ oder „1“ annehmen können, verarbeitet ein Quantencomputer sogenannte Quantenbits, kurz „Qubits“. Die quantenmechanischen Informationseinheiten können nicht nur die binären Zustände annehmen, sondern auch unendlich viele Zwischenzustände. Und das gleichzeitig. Diese Fähigkeit macht den Quantencomputer gegenüber seinem klassischen Gegenstück so überlegen: Komplexe mathematische Aufgaben kann er schnell parallel lösen. Die Möglichkeiten, die in einem Quantencomputer stecken, haben auch längst die großen IT-Firmen in den Vereinigten Staaten und Asien erkannt. Sie haben Millionen von Dollar in die Entwicklung von Quantensystemen gesteckt und Wissenschaftler von namhaften Universitäten angeworben. Viele der Prototypen arbeiten bereits mit 50 Quantenbits, und es sollen noch mehr werden. Als Träger von Quantenbits nutzen IBM, Microsoft und Google elektrische Schaltkreise, die in supraleitenden Mikrochips integriert sind. Die darin umlaufenden Ströme stellen – je nach Umlaufrichtung – zwei unterschiedliche Energiezustände dar. Mit Mikrowellenpulsen lassen sich die Zustände überlagern und manipulieren. Bewährt haben sich auch geladene Atome, die man mit elektrischen und magnetischen Feldern in der Schwebe hält. Durch das Einstrahlen von Laserlicht lassen sich die Ionen in die Zustände 0, 1 oder Überlagerungen davon versetzen. Allerdings darf die Superposition der Zustände während des Rechenprozesses nicht zerstört werden. Jede Einwirkung von außen, die auf ein Quantenbit wie eine Messung wirkt, führt zum Kollaps der Überlagerung. Dadurch kann es zu unerwünschten Rechenfehlern kommen. Leistungsfähige Systeme besitzen deshalb ein effizientes Fehlerkorrektursystem.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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