In Ehningen bei Stuttgart Quantum & AI Experience Center eröffnet

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Die IBM hat an ihrem Standort Ehningen bei Stuttgart das „Quantum & AI Experience Center“ (Q.AX) eröffnet. Es sei ein weiterer Baustein auf dem Weg zu einem „lokalen und landesweiten Campus-Ökosystem“, wie Vertreter aus Politik, Wirtschaft und Wissenschaft zum Ausdruck brachten. In einem Demoraum waren Experimente zum Quantencomputing zu bestaunen.

Es passiert nicht jeden Tag, dass man Dinge sieht, die sich kontaktlos über Oberflächen bewegen. So geschehen im Demoraum des neu eröffneten Quantum & AI Experience Centers, kurz Q.AX, das in Gebäude 8 des weitläufigen IBM-Geländes in Ehningen eröffnet wurde. Der Zutritt zum Demoraum setzte eine rote Schutzbrille voraus, sodass alle Objekte im Raum einen Rotstich erhielten. Die Brille sollte die Augen des Betrachters gegen die allgegenwärtigen Laserstrahlen schützen.

Die diversen Experimentalaufbauten demonstrierten entweder physikalische Effekte des Quantencomputings oder eine Reihe von Effekten. Dazu gehörte die Quadrupol- bzw. Paul-Falle, bei der Ionen in Quanten-Gates von Ionen-basierten Quantencomputern eingefangen werden. Ein anderes Experiment involvierte einen Bunsenbrenner, in den ein Stäbchen mit Natriumchlorid (Kochsalz) gehalten wurde. Auf den Schatten, den der Kontakt warf, kam es an. Ein dritter Aufbau zeigte dann das levitierende Metallstück, das über eine Achterbahn aus magnetisierten Metallscheiben glitt. Alle Handy-Speicherchips in der Nähe waren in Gefahr, gelöscht zu werden.

Das Doppelspalt-Experiment demonstrierte anhand von Interferenzmustern die Dualität des Lichts aus Welle und Partikel (Photon). Es wurde bereits 1802 von Thomas Young ausgeführt und später weiterentwickelt. Beim Verlauf des Experiments zeigt sich das Phänomen der Superposition eines Lichtquants. Superposition definiert Qubit-Zustände, ist also essentiell für Quantencomputing, ähnlich wie Quantenverschränkung – die Albert Einstein einen „Spuk“ nannte.

Der RLC-Schwingkreis (Resistor – Inductor – Capacitor) ist analog zu einem mechanischen Pendel zu verstehen: Die elektrische Ladung schwingt periodisch und ist diesbezüglich nahe verwandt zum Transmon-Qubit. In dem vorgeführten Aufbau wurden ein paar Bauteile ersetzt, sodass in einem Supraleiter der elektrische Widerstand verschwand (der Supraleiter war nicht vor Ort – jeder Besucher hätte Erfrierungen erlitten). Dadurch erhält man zwei gleichzeitige Quantenzustände, die sich als 1 oder null interpretieren lassen, also ein Qubit.

Ein weiterer Aufbau ist die NV-Zentren-basierte Quantentechnologie, an der nun auch Amazon interessiert ist. Hier werden Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamanten genutzt, um Photonen mit den Fehlstellen im synthetischen Diamanten interagieren zu lassen. So lässt sich bei Raumtemperatur sowohl Quantencomputing als auch Quantensensorik realisieren.

Software-Projekte mit Quantencomputing

Software ist bekanntlich nicht leicht als Experimentalaufbau zu demonstrieren. Vielmehr machte sich das Q.AX die Mühe, entsprechende Projekte als Poster zu zeigen. Die Projekte werden von den Fraunhofer-Instituten IPA, IAO und IAF gefördert und realisiert. Das Fraunhofer-Institut und seine Industriepartner hat am Q.AX direkten Zugang zum Quantencomputer, der bei IBM in Ehningen seit rund zwei Jahren mit immerhin 27 Qubits seinen Dienst verrichtet – als erster Quantencomputer in Europa.

Dessen Kauf wurde seinerzeit vom Land Baden-Württemberg mit 40 Millionen Euro gefördert, wovon vier Millionen Euro auf die Hardware und der Rest auf die Forschungsprogramme entfielen. Auch das neue Q.AX wird vom Land gefördert. Dessen Ministerpräsident Winfried Kretschmann (Grüne) ließ es sich nicht nehmen, diesen „zentralen Baustein“ für ein „lokales und landesweites Campus-Ökosystem“ feierlich einzuweihen. Gleich neben Ehningen liegt das sogenannte Cyber Valley. Das Cyber Valley „ist Europas größtes Forschungskonsortium im Bereich der Künstlichen Intelligenz mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie“, so die Eigenbeschreibung. Das Konsortium ist in einer GmbH zusammengefasst und wurde von seiner Geschäftsführerin Rebecca Reich bei der Q.AX-Eröffnung engagiert vertreten.

Die Poster mögen als Hinweis auf die verschiedenen Anwendungsfälle verstanden werden, in denen Quantencomputing realisiert werden kann. Der Quantum-Alternating-Operator-Ansatz (QAOA) und sein Vorgänger, der Quantum-Approximate-Optimization-Algorithmus, sind die verbreitetsten Algorithmen, um kombinatorische Optimierungsprobleme zu lösen. Anwendungsfall für QAOA: Optimale Nutzung von Ladestationen. Wer beispielsweise die Kosten der Routen in Traveling-Salesman-Problem (TSP) berechnen möchte, braucht entweder sehr viel Hauptspeicher oder mehr als 60 Qubits.

Der QAOA-Algorithmus wurde am Institut für Theoretische Physik der Leibniz-Universität in Hannover und der Volkswagen AG entwickelt, wie man dem veröffentlichten Text entnehmen kann. Das Fraunhofer IAO veröffentlichte am 24. Januar 2023 eine Einführung und eine Fallstudie für die Nutzung des QAOA-Algorithmus auf IBM-Quantencomputern mithilfe des Open-Source-Softwareentwicklungskits Qiskit. Das Realworld-Problem besteht im verteilten Laden von E-Fahrzeugen an allen 37 Fraunhofer-Instituten in Europa. „Die Nutzung offener Systeme und Plattformen wie Qiskit ermöglicht die weitere Skalierung und Integration in klassisches Computing“, sagte Gregor Pillen, Vorsitzender der Geschäftsführung von IBM Deutschland.

Das Q.AX im Kontext

Die Bezeichnung „Quantum & AI Experience Center“ drückt bereits aus, dass idealerweise Quantencomputing und KI zusammenfinden. Das heißt, es handelt sich noch um eine Form des hybriden Rechnens. Dies ist vielfach der aktuelle Trend, denn KI, die auf traditionelle Rechnerarchitekturen zugeschnitten ist, lässt sich nur auf hybriden Rechnern ausführen, die altes Computing mit Quantenrechnen kombinieren können. Dies wird beispielsweise auf dem IBM-Supercomputer „Sierra“ realisiert, der am Oak Ridge National Laboratory für das US-Energieministerium seinen Dienst versieht. Dort werden auch schnellste GPUs und NVMe-basierte Storage-Bausteine genutzt, um beispielsweise komplexe Optimierungsprobleme zu lösen.

Als „Nukleus“ und gemeinsamer Kooperationsraum der landesweiten Community zu Quantencomputing (QC) und -technologien soll das Q.AX auf seinen 800 Quadratmetern diese Ziele über Demonstratoren, Schulungen, Fachkonferenzen und Events erlebbar sowie für Unternehmen nutzbar machen. So können Unternehmen beispielsweise im Bereich „Future Corporate Worlds“ des Q.AX mehr über KI-Einsatzszenarien an der Schnittstelle zu Quantencomputing-Algorithmen im Unternehmen erfahren und dadurch Ansätze und Konzepte für die eigene Strategie ableiten. In den weiteren Ausstellungsbereichen „Quantum Applications“ und „Partner Space“ werden QC-Softwarelösungen auf Basis von konkreten Anwendungsfällen im industriellen Kontext vorgestellt.

Weiterhin sei bereits geplant, das Q.AX nach seiner Pilotnutzung mit weiteren Gebäuden auf dem Areal zu einem Start-up Hub zu erweitern, der auf die Aspekte „Life, Work and Play“ einzahlen wird. Auch die Entwicklung eines virtuellen Quartiermodells ist neben dem virtuell erlebbaren Quantencomputer bereits angedacht.

Unter „Nukleus“ ist der Kern eines auf rasches Wachstum ausgelegten Campus zu verstehen, der unter der Bezeichnung „Quantum Gardens“ bis ca. 2025 zwischen 400 und 500 neue Wohnungen in einer autofreien Zone umfassen soll: Hier sollen auf 140.000 Quadratmetern die klugen Köpfe der kommenden Generation forschen und entwickeln, aber auch leben (denn auch in der Region Stuttgart ist bezahlbarer Wohnraum extrem knapp).

Kein Wunder, dass der Bauträger, v. a. die Ozean Group, und der Bürgermeister der Gemeinde Ehningen Lukas Rosengrün sich ein Grußwort nicht nehmen ließen. Ministerpräsident Winfried Kretschmann nannte die Quantum Gardens nicht nur einen Hightech-Hotspot, sondern auch ein Ansiedlungsprojekt für Fachkräfte. Letztere sind bekanntlich schwer anzuziehen, denn weltweit rivalisieren Hightech-Standorte um sie.

„Wir wollen, dass Baden-Württemberg sich als einer der führenden Standorte für Quantentechnologie in Europa etabliert“, sagte Kretschmann bei der Eröffnung am 18. April. Der Innovationscampus Quantum Gardens in Ehningen ist dabei eines der Leuchtturmprojekte, mit dem wir in der Zukunft Maßstäbe setzen können. Ein zentraler Baustein davon ist das Quantum & Al Experience Center, das mit der heutigen Eröffnung als Innovationsmotor einen wichtigen Beitrag leisten wird.“

Quantencomputing eignet sich für verschiedene Branchen. „Q.AX wird Impulse liefern für Automobil- und Maschinenbau, die Kreativ- und Bauwirtschaft, Medizin- und Umwelttechnologien bis hin zu Zukunftsbranchen, die wir uns heute noch gar nicht vorstellen können“, sagte Walter Rogg, Geschäftsführer der Wirtschaftsförderung Region Stuttgart GmbH (WRS).

Warnungen und Forderungen

Professorin Katharina Hölzle, Institutsleiterin des Fraunhofer IAO, die im Beirat der Landesregierung ihre Stimme erheben kann, gab den Politikern, Wissenschaftlern und Wirtschaftsgrößen wie Gregor Pillen ein paar Worte der Warnung und des Wunsches mit auf den Weg. Sie machte deutlich, dass sich Wissenschaftler und Wirtschaftsvertreter immer noch unzureichend verstehen, weil beide Gruppen unterschiedliche Begriffe verwenden. „Wir brauchen eine gemeinsame Sprache: Worüber reden wir?“ Im Hinblick auf Kollaboration fordert sie Anpassungsfähigkeit. „Als das Massachusetts Institute of Technology (MIT) 1943 sein Gebäude 20 eröffnete, das die Kernzelle vieler Innovationen wurde, steckte man dort Wissenschaftler verschiedenster Disziplinen mit Wirtschaftsleuten zusammen.“ Dies scheint sich auch Rebecca Reich zu wünschen, die Geschäftsführerin der Cybervalley GmbH. Sie möchte Professoren zu Unternehmern machen.

Ein paar nachdenkliche Worte kamen vom einzigen Vertreter der lokalen Industrie, Dr. Peter Leibinger. Er ist der CEO von Trumpf, eines Unternehmens, in dem Blechteile präzise mit Laserstrahlen zugeschnitten werden. Dabei fällt immer Ausschuss an ungenutztem Blech an. Er hofft auf den Einsatz von Optimierungsalgorithmen, um diesen Ausschuss zu minimieren. Was auch gut im Hinblick auf Nachhaltigkeit wäre. „Quantencomputing ist eine Schlüsseltechnologie mit echter Wirkung, also eine wichtige und gute Sache.“ Aber statt der 27 Qubits des „Falcon“-Q-Computers in Ehningen benötige Trumpf 30 Qubits. „Da heißt es durchhalten.“

Er schrieb den versammelten Größen seine Forderung ins Stammbuch, eine konkrete und imperative Roadmap von Meilensteinen auf die Beine zu stellen und einen Wettbewerb der Konzepte zu realisieren. Eine weltweite Förderung von Quantencomputing-Start-ups mit 30 Milliarden US-Dollar, davon über eine Milliarde Euro allein in Deutschland, sei zwar willkommen, doch man müsse auch die Spreu vom Weizen trennen. Kurz: Er forderte Wettbewerb.

Der Trumpf-Geschäftsführer, der auch schon von Angela Merkel besucht wurde, wünscht sich in zwei Jahren einen Quantencomputing-Chip mit nicht weniger als 1.000 Qubits. Das sei die Messlatte, und um sie zu erreichen, müsse einiges am aktuellen Paradigma geändert werden. Damit hat IBM selbst offenbar überhaupt kein Problem, wie man der Quantum-Roadmap von Big Blue entnehmen kann: Schon mit der aktuellen Chipgeneration „Condor“ sollen 1.121 Qubits erreicht werden, die nächste Stufe „Flamingo“ soll im kommenden Jahr über 1.386 Qubits erreichen. Soweit der Plan, die Realität mag anders aussehen.

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