Das Rechnen mit Qubits übertrifft alle Erwartungen Bitkom: Quantencomputing ist Zukunft und die beginnt jetzt

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Weltweit ist der politische Wille zur Erkundung und Nutzung von Quantencomputern spür- und sichtbar: Immense Investitionssummen werden bereitgestellt, zahlreiche Industrieländer haben Quantum Computing zur Schlüsseltechnologie erkoren. Für Deutschland stellt sowohl die Technologie selbst als auch ihre Nutzung eine große Chance dar.

Seit der Initialzündung des Quantum Computing, formuliert durch die Ideen der beiden IBM-Forscher Rolf Landauer und Charlie Bennet in den 1960er und 70er Jahren, sind wir über die ersten fragilen Qubits Ende der Achtziger an einen Punkt im Jahr 2017 gelangt, wo klar wurde, dass die Zusammenführung von Entwicklern und Nutzern der Technologie erst den wirklichen Durchbruch bringen wird. Seit der industriellen Revolution gibt es dafür ein erfolgreiches Konzept: Der Aufbau von Collaborations-Plattformen, auf denen gemeinsam Ideen diskutiert und ihre Machbarkeit überprüft werden.

Eine Handvoll vielversprechender Ansätze für Quantencomputer

Die Anzahl der verfügbaren Algorithmen ist inzwischen beeindruckend und wächst kontinuierlich weiter. Die Wirtschaft zeigt großes Interesse und eine hohe Bereitschaft anzupacken und zu gestalten. Die Zeichen stehen also auf Aufbruch.

Quantencomputer sollen für internationale Wettbewerbsfähigkeit sorgen

Bitkom erfragt die Chancen für das Quantencomputing

Doch wie verlässlich ist Quantencomputing? Quantencomputer sind eine völlig neue Hardware-Technologie, die auf quantenmechanischen Prinzipien basiert. Im Gegensatz zu klassischen Computern gibt es als Nutzer strenggenommen keinen festen Ablauf, der immer dasselbe Ergebnis liefert, sondern ein „Quanten-Experiment“, das häufig wiederholt werden muss und – wenn das Experiment beziehungsweise der Algorithmus richtig funktioniert – statistisch signifikante, spezifische Ergebnisse liefert, die häufiger als andere mögliche Ergebnisse auftreten. Quantencomputer sind also non-deterministisch.

Daneben gibt es die Herausforderung von Einflüssen aus der unmittelbaren Umgebung des Systems. Die Qubits werden zwar abgeschottet, zum Beispiel durch Kühlung, Vakuum oder elektromagnetische Schirmung. Die Abschottung ist aber mit dem Stand heutiger Technik nie perfekt. Äußere Einflüsse führen irgendwann dazu, dass ein Qubit seine Kohärenz verliert.

Trotz dieser zwei Faktoren – des non-Determinismus und des Kohärenzverlusts, ist es möglich Algorithmen zu entwickeln, die zuverlässig arbeiten. Mit einer kleineren Anzahl von Qubits kann diese Zuverlässigkeit bewiesen werden, und mit wachsender Zahl erwarten wir, dass Probleme gelöst werden können, an denen traditionelle Computertechnologien scheitern.

Welche Anwendungen stehen dabei im Vordergrund?

Die ursprüngliche Idee des Quantencomputers entstand aus dem Bedürfnis, physikalische Prozesse auf atomarer Ebene zu simulieren. 40 Jahre später ist Materialsimulation eines der vielversprechendsten Anwendungsfelder: bei der Batteriechemie, der Verbesserung der Energie-Effizienz von Herstellungsprozessen und der Molekularforschung in der Pharmabranche.

Dank einer Erfindung aus den 1990er Jahren ist zudem bekannt, dass bestimmte Arten von mathematischen Problemen in Quantenäquivalente übersetzt werden können. Dies führte zur Entwicklung einer Reihe von Algorithmen im Bereich Optimierung und Machine Learning. Und das ist erst der Anfang.

Bekannt ist ferner, dass Probleme aus der mathematischen Netzwerkanalyse in Quanten-Äquivalente übersetzt werden können. Das bedeutet, dass überall dort, wo solche Probleme in mathematische Modelle überführt werden können, Quantum Computing Auswirkungen haben wird: in der Finanzbranche, dem Handel, der Logistik, Chemie, Pharma, bei Versicherungen, im Maschinenbau oder in der Produktion.

Veranstaltung und Urknall

Am 26. und 27. Mai findet erstmals der vom Bitkom organisierte Quantum Summit statt. Warum veranstaltet der Bitkom gerade jetzt eine Konferenz und was ist das Ziel, das Ergebnis dieses Events? Deutschland ist ein Center of Excellence auf mehreren Feldern der Quantentechnologien. In einigen sogar Weltmarktführer. Nutzen wir das, um auf all diesen Gebieten führend zu sein! Deutschland als Industrienation muss Quantentechnologien ernst nehmen, und wissen wie, wo und wann sie einzusetzen sind.

Dazu müssen sich Programmierer beziehungsweise Unternehmen mit Quantum Computing beschäftigen. In den vergangenen vier Jahren, seit IBM das „IBM Quantum Network“ gegründet hat, sind alle Erwartungen hinsichtlich des technologischen Fortschritts und der Entwicklung von Algorithmen massiv übertroffen worden.

Als Entwickler muss man jetzt die Zeit nutzen, um sich mit der Technologie zu beschäftigen, da das Programmieren von Quantencomputern einen völlig anderen und teilweise kontra-intuitiven Charakter hat. Für Firmen gilt es jetzt zu verstehen wie, wo und wann Quantencomputer das eigene Kerngeschäft ändern werden. Wenn nicht, geht man ein strategisch unkalkulierbares Risiko ein.

Wird es eine Art Urknall geben, der die Computerwelt erschüttert, wenn es einen zuverlässig arbeitenden Universal-Quantencomputer gibt? Vermutlich nicht. Vielmehr werden wir einen stufenweise „sich ausdehnenden Urknall“ erleben: mit Fortschritten, wie beispielsweise der Steigerung der Zahl der simulierbaren Qubits, dem Erreichen der 1000-Qubits-Barriere, Systemen mit einem Quantum Volume, das um den Faktor 1.000 höher ist als heute und einer fast perfekt arbeitenden Fehlerkorrektur, werden in den nächsten Jahren zunehmend komplexe Aufgaben in Wirtschaft und Wissenschaft mit Quantencomputern überhaupt erst lösbar machen.

Die dringendsten Aufgaben

Aus Sicht der Technologie arbeitet die Industrie auf mehreren Gebieten, die unabhängig von der jeweiligen Basistechnologie sind. Dabei drängeln Fragen, die es noch zu klären gilt.Allen voran die Qualität der Qubits, bessere Kohärenzzeiten und die Entwicklung von neuen, performanten Algorithmen.

Aus Sicht der deutschen Industrie ist die drängendste Frage: Was nutzt es? Hier gilt es Wissen aufzubauen und die Technologie und Methode im Kontext der eigenen Wertschöpfung zu verstehen.

Ich kann mich noch sehr gut an die Geburt des World Wide Web erinnern: Die Bereitschaft zu investieren, kam damals aus den USA. Quantentechnologien und -computer könnten einen ähnlichen Einfluss auf Kernbereiche der deutschen Wirtschaft und Industrie haben. Wir dürfen das Feld dieses Mal nicht den anderen überlassen.

* Dr. Mark Mattingley-Scott ist IBM Quantum Ambassador Leader EMEA & AP sowie Vorstand im Bitkom, Arbeitskreis High Performance Computing & Quantum Computing.

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