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Kommentar von Ingolf Wittmann, IBM Die Quanten-Revolution beginnt

Autor / Redakteur: Ingolf Wittmann / Nico Litzel

Die Entdeckung der fundamentalen Prinzipien der Quantenmechanik erfolgte bereits in den 1920er-Jahren. Aber jetzt wird allerorts daran gearbeitet, die faszinierende Theorie in konkrete Quantentechnologie umzusetzen, in handhabbare, produktiv einsetzbare Geräte und Anwendungen. Kurz gesagt: Die Quanten-Revolution hat begonnen und in der IT ist die Forschung zu Quantencomputern in den letzten Jahren entscheidend vorangekommen.

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Der Autor: Ingolf Wittmann ist CTO & Leader of HPC Europe bei IBM
Der Autor: Ingolf Wittmann ist CTO & Leader of HPC Europe bei IBM
(Bild: IBM)

Die Grundlage für Quantencomputer ist, im Gegensatz zum binären System der bisherigen Computertechnologie, die Gleichzeitigkeit der Zustände von Qubits, also der kleinsten Speichereinheit dort. Das führt zu den faszinierenden Phänomenen der Superposition und der Quantenverschränkung. Durch Ausnutzen dieser Phänomene sollen Quantencomputer spezielle, bislang entweder unlösbare oder unglaublich lange dauernde Rechenprobleme in wesentlich kürzerer Zeit lösen können.

Qubits sind das quantenmechanische Äquivalent zu den klassischen Bits. Bits arbeiten binär, also entweder Null oder Eins. Das Qubit kann sich dagegen in der sogenannten Kohärenzzeit in einem Zwischenzustand aus Null und Eins befinden. Auch ein für die Darstellung von Rechenoperationen notwendiges Register gibt es in der Quantenversion, was sich ebenfalls in mehreren Zuständen gleichzeitig befindet – ein Quantenregister, das aus nur zwei Qubits besteht, nimmt die Zustände 00, 01, 10 und 11 gleichzeitig an. Fügt man mehr Qubits zu einem Quantencomputer hinzu, so führt das theoretisch zu einem exponentiellen Wachstum an Rechenpower. Das erklärt auch die großen Hoffnungen, die derzeit in die Quantentechnologie gesetzt werden.

Quantenüberlegenheit oder Koexistenz mit klassischen IT-Systemen?

Derzeit wird das Konzept der „Quantum Supremacy“, das heißt, der Überlegenheit der Quantenrechner über herkömmliche Systeme, heiß diskutiert. Genauer gesagt: Es wird diskutiert, ob diese schon erreicht wurde. Leider wird der Begriff in der breiten Öffentlichkeit oft falsch verstanden und verwendet. Eine strikte und konservative Auslegung wurde bislang noch nicht geschaffen und vor allem werden Quantencomputer niemals „supreme“, also klassischen Computern auf allen Feldern überlegen sein. Beide Technologien haben ihre Stärken und individuellen Einsatzfelder. Bei IBM nutzen wir einen an Schrödinger angelehnten klassischen Ansatz, der im Gegensatz zu anderen 53-Qubit-Lösungen für die notwendige Vektormanipulation auch Hardware und RAM-Speicherplatz nutzt.

In absehbarer Zeit werden Quantencomputer klassische Computer aus unserer Sicht nicht ersetzen. Es wird viel mehr auf hybride Strukturen hinauslaufen, in denen sich klassische und Quantencomputer mit ihren jeweiligen Stärken gegenseitig ergänzen. Ähnlich wie in den hybriden Strukturen in heutigen Multi-Cloudsystemen, wo öffentliche und private Clouds von multiplen Anbietern reibungslos zusammenarbeiten können – je nach Workload. Spezielle Probleme, die klassische IT-Systeme überfordern, werden dann wahrscheinlich in Quantencomputer „outgesourced“.

Diese haben das Potenzial, ganze Industriezweige zu verändern und Wertschöpfungsketten neu zu definieren. Zum Beispiel können Quanten-Algorithmen Simulationen von Molekülen und den Reaktionen zwischen ihnen verbessern, was in der Pharmazie die Entwicklung von lebensrettenden Medikamenten um Jahrzehnte beschleunigen wird. In den Naturwissenschaften allgemein wird Quanten-Rechenpower sehr nützlich sein, aber auch bei Finanzdienstleistungen und nicht zuletzt im Bereich der Künstlichen Intelligenz. Man könnte mit Quantencomputern die Veränderungen ganzer Ökosysteme, den Klimawandel und hochkomplexe Verkehrsströme berechnen oder komplizierteste chemische Formeln auf verschiedenste Anwendungen hin austesten.

Dazu werden mehr Start-ups und Partnerschaften zwischen Forschung und Technologiefirmen benötigt, um die Quantentechnik kommerziell nutzbar zu machen. Ein Beispiel ist die gemeinsame Initiative von IBM und der Fraunhofer Gesellschaft. Gemeinsam werden wir ein IBM Q System One an einem deutschen Standort in Betrieb nehmen, als erste Einrichtung dieser Art in Europa. Und da wir an den Open-Source-Gedanken und eine freie Wissenschaft glauben, steht die Technik über die Cloud Jedermann zur Verfügung. Das bedeutet freien Zugang zu unterschiedlichen IBM-Q-Systemen bis maximal 16-Qubits, mit denen schon mehr als 155.000 Nutzer gearbeitet haben. Wissenschaftler aber auch jedermann können weltweit auf die IBM-Q-Systeme zugreifen und so erste Erfahrungen mit einem bereits erprobten Quantencomputer sammeln.

Fragil, aber es funktioniert schon jetzt

Ein Quantensystem ist aufgrund der komplexen Technik aber leider auch sehr fragil und wird fehleranfälliger, je größer es wird. Denn die Superposition und Quantenverschränkung aufrecht zu erhalten, während immer mehr Qubits verbunden werden und gemeinsam rechnen, ist vergleichbar mit der Aufgabe, ein rohes Ei auf einer Nadelspitze zu balancieren – und zwar in einer Reihe mit dutzenden oder hunderten anderer tanzender Eier. In den IBM-Laboren müssen die Qubits in den Computern auf 15 Millikelvin (was etwa Minus 273 Grad Celsius entspricht und kälter als das Weltall ist) heruntergekühlt werden. Gleichzeitig müssen die Atome von jeglicher elektromagnetischen Beeinflussung abgeschirmt werden. Das ist eine technische Herkulesaufgabe, die jeden Tag neu bewältigt werden muss und die Teams vor große Herausforderungen stellt.

Dennoch wird bereits erfolgreich damit gearbeitet. Auf einem NISQ (noisy intermediate-scale quantum) Quantencomputer konnte 2017 Berylliumhydrid (BeH2) simuliert werden – das bislang größte simulierte Molekül. Und die US-amerikanische Bank JP Morgan Chase experimentiert zusammen mit IBM an quantengestützten Algorithmen für die Berechnung von Trading-Strategien an der Börse, Portfolio-Optimierung und Risikoanalyse. In diesem Zusammenhang wird die Möglichkeit der Quantentechnologie zur Ausschöpfung der Möglichkeiten von KI interessant. Denn dazu braucht es Abermillionen von Daten und deren Analyse.

Von einer Symbiose von KI und Quantencomputing könnte speziell das maschinelle Lernen profitieren, was wiederum das maschinelle Verständnis für komplexe Quanten-Systeme beflügeln würde. Quantenbasierte, kognitive Computer könnten sich dann in allen Branchen bewähren und ihnen neue Möglichkeiten eröffnen. Solche Lösungen zu finden ist auch ein Ziel des IBM Q Networks, ein globales Ökosystem aus Fortune-500-Unternehmen, akademischen Einrichtungen, Start-ups und staatlichen Forschungseinrichtungen. Dort wird an kommerziellen Anwendungen gearbeitet, derzeit mit einem 20-Qubit- bzw. 53-Qubit System.

Nebeneffekte

So wie alles auf der Welt hat auch Quantencomputing mögliche Nebeneffekte – zum Beispiel könnten heute noch sichere Verschlüsselungstechnologien in weiter Zukunft damit geknackt werden. Aber es wird bereits an gitterbasierender Kryptografie gearbeitet, die dann auch Attacken durch Quantencomputer standhält. Außerdem ist in neuesten IT-Strukturen wie den IBM z15 Mainframes die Sicherheit immer mitgedacht und sie wird auch fortlaufend an neue Herausforderungen angepasst.

Am Ende des Tages fasziniert jede neue Technik auf ihre eigene Art und Weise – egal, ob auf 15 Millikelvin gekühlt oder nicht. Quantencomputing begeistert gerade eine ganze Generation von Wissenschaftlern und wird die IT fundamental verändern – so viel ist sicher. Wer sich schon heute selbst ein Bild machen will, kann jetzt gleich ein Programm auf einem echten Quantencomputer austesten.

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