Interview mit Georg Gesek, Quantencomputer-Pionier „Die Qubits sind grottenschlecht und die Temperaturen zu tief, aber in 3 Jahren ....“

Das Wiener Unternehmen Novarion, respektive Firmengründer und CEO Georg Gesek, hat sich das Ziel gesteckt, bis 2025 den ersten „echten“ hybriden, universellen Quantencomputer auf dem Weltmarkt zu etablieren. Das Projekt mit einem Volumen von 18 Millionen Euro bis 2024 ist über Crowdinvesting bei Lion Rocket anschubfinanziert. Im Interview erläutert Gesek, warum es solche Computer braucht.

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Georg Gesek, Physiker, Quanteninformatiker und Elektronik-Ingenieur, hat 2004 die Firma Novarion mit Sitz in Wien gegründet. Heute ist er geschäftsführender Gesellschafter des Unternehmens, das Hochleistungscomputer für Unternehmen sowie Forschungseinrichtungen, kosteneffiziente Rechenzentrumsprodukte bis hin zur Quantenkryptographie entwickelt. 2014 eröffnete das Unternehmen in München eine Niederlassung.

Um die ersten Cashflows zu generieren, verkaufte Gesek die ersten Systeme, die er gemeinsam mit österreichischen Universitäten entwickelte, an andere Universitätsinstitute. Schon im darauffolgenden Jahr konnte durch Gesek‘s globales Netzwerk mit Computerteileherstellern (ODMs), welches er während der 1990er Jahre durch seine Tätigkeit für Ingram Micro, Distributor für Computerbauteile, aufgebaut hatte, ein auftragsbezogenes System für Rechenzentrumsserver- und Speichersysteme entwickelt werden.

Mit diesem Fertigungsprogramm ist Novarion in der Lage, flexible, anwendungsoptimierte Computersysteme für die Industrie zu entwickeln, anzupassen und zu produzieren. Zwischen 2013 und 2018 erweiterte das Unternehmen um die Marken „Quanton“ für Serversysteme, „Tacyon“ für Mittelklasse- sowie „Planistor“ für High-End-Speichersysteme. So ist der Quanton-Server mit einer Spitzenleistung von bis zu 2 Billiarden (2.000.000.000.000.000) Rechenvorgängen pro Sekunde je Server Einheit für Anwendungen der Künstlichen Intelligenz ausgestattet. Die Novarion-Mannschaft besteht aus einem fünfköpfigen Verkaufs-Team, sowie über 50 Systemhäusern als Handelspartner.

Doch Gesek forscht auch seit 25 Jahren an den Grundlagen der Theorie der Quanteninformation sowie der darauf basierenden Weiterentwicklung der Quantencomputer. 2018 begann Novarion Systems mit der Erprobung von Quanten-Computing für optimierte Arbeitsabläufe und Vorhersagemodelle für das Marktverhalten bei einigen seiner Kundenbanken.

Denn Software-Ingenieure sollten sich seiner Ansicht nach mit den Programmierparadigmen der Quantenrechnung vertraut machen. Derzeit herrsche ein Mangel an ausgebildeten Quanteninformatikern in allen Industriebereichen, einschließlich des Finanzsektors. In einem Interview gegenüber der Publikation „The Paypers“aus dem Jahr 2014 sagte er: „So hat einer unserer größten Finanzkunden rund 1.000 IT-Spezialisten, von denen 800 Software-Ingenieure sind, von denen 60 bereits im Bereich der künstlichen Intelligenz tätig sind. Keiner der 800 Softwareingenieure ist jedoch mit der Programmierung eines Quantencomputers vertraut.“

Heute steht auf der Website des Unternehmens: „Unsere zukünftigen Computer werden Quantenmaschinen sein.“

Wann kommt den nun der erste "richtige" Quantencomputer und welche Aufgaben soll dieser zuerst lösen?

Georg Gesek: Sie meinen, einen, der mit Qbits rechnet und den man wie ein heutiges High-Performance System in ein Enterprise- oder Co-Location-Rechenzentrum stellen könnte? Wir planen ja hier in Österreich ein solches System und bauen klassische Systeme. Zum Beispiel verfügen wir über einen Quantencomputer-Simulator.

Wie Atos?

Georg Gesek: Ja, im Prinzip schon. Nur, dass Atos die Industrie anführende Technik auf dem Markt hat. So kann das Atos-System, die “Quantum Learning Machine” derzeit 43 Qubits simulieren, wir mit unserem 24 Terabytes-RAM-System 42 Qubits. Allerdings kostet unser Simulator nur ein Drittel.

Doch meine persönliche Einschätzung zur Frage, wann es die ersten kommerziell verfügbaren Quantencomputer geben wird, die alle benutzen können, lautet: in drei Jahren. ... Ein universeller Quantencomputer mit 100 qualitativ hochwertigen Qubits würde schneller als jeder klassische Supercomputer (HPC) sein.

Eigentlich sind wir heute schon in der Lage, einen Quantenprozessor zu bauen, der eine größere Leistung hat als das menschliche Gehirn – theoretisch. Wir wissen nur noch nicht wie wird die Quanteninformationstechnologie bauen.

In jedem Fall aber wird der erste Computer dieser Art ein System sein, das auf in Magnetfeldern gefangenen Ionen, so genannten Ionen-Fallen, oder supraleitenden Schaltkreisen basiert. Hierbei werden Ionen mit Mikrowellenstrahlung in verschiedene Zustände gebracht und auf diese Weise mit Informationen geladen. Jedes einzelne Ion in der Falle ist dabei ein Qubit. In jedem Fall gehört die Entwicklung von Supraleitern zu den Schlüsseltechnologien, die wir in Europa angehen müssen. Tun wir das nicht, geschieht das in den USA oder in Asien.

Welche Hindernisse gilt es zu überwinden?

Georg Gesek:Erstens: Die heutigen Systeme benötigen aufwändige Kühlsysteme, die die Qubits auf nahe 0 Kelvin - das ist mit minus 273,15 Grad Celsius die tiefstmögliche Temperatur abkühlen. Ihr nähern sich die Quantenchips bis auf wenige tausendstel Grad beziehungsweise 1 bis 10 Millikelvin an, um sie für Bruchteile von Sekunden stabil zu halten -Supraleiter haben kaum elektrischen Widerstand.

Die Tiefsttemperaturen machen es schwierig, die Systeme in ein traditionelles Rechenzentrum zu packen. Das Kühlen mit Kryoflüssigkeiten wie flüssigem Helium (Siedepunkt: 4,21 Kelvin) von etwa Zimmertemperatur auf diese Tiefsttemperaturen dauert heute etwa vier Tage und ist entsprechend teuer. Für das Ermöglichen von Rechnen mit Quanten, ein Quant kann nicht geteilt, nur als Ganzes erzeugt oder vernichtet werden, in einem kommerziellen Umfeld, ist also das Anheben der Temperatur, sagen wir auf 4 Kelvin bei gleichzeitiger Stabilisierung essenziell. Das ist die Zukunft.

Denn zweitens ist die Qualität der Qubits grottenschlecht.

Das Quant in einem Quantencomputer kann ein geladenes Atom, also ein Ion, oder eine bestimmte Menge von Elektronen in einem Kreisstrom sein. Überlegungen gibt es aber auch zu Photonen, also Lichtteilchen, und gar Diamanten.

Neues Konzept für Quantencomputer kommt aus Österreich und Japan

Diamanten für Quanten zum Rechnen

Aus Hochtemperatursupraleitern

Forscher finden neuartiges Material für Qubits

Georg Gesek: Der Durchbruch für eine neue Art von Qubits ist in vielleicht 5 oder sechs Jahren zu erwarten. Doch tatsächlich ist der Ansatz Diamanten beziehungsweise die kubische Modifikation des Kohlenstoffs vielversprechend. Das Besondere daran sind die Quanten-Dots, eine nanoskopische Materialstruktur, eigentlich die Löcher: Die Ladungsträger, zum Beispiel Elektronen in einem Quantenpunkt, sind in ihrer Beweglichkeit in allen drei Raumrichtungen so weit eingeschränkt, dass ihre Energie nicht mehr kontinuierliche, sondern nur noch diskrete Werte annehmen kann. Quantum Dots verhalten sich ähnlich wie Atome, können jedoch in Form, Größe oder Anzahl von Elektronen beeinflusst werden. Allerdings beträgt ihre eigene atomare Größenordnung etwa 104 Atome.

Aber in einen Diamanten lassen sich einzelne Photonen hineinschicken und das bei Raumtemperatur und sie lassen sich verschränken. Vielleicht haben wir bis zum Ende dieses Jahrhunderts dreidimensionale Diamant-Chips.

Bei Novarion gehen wir allerdings den traditionellen Weg. Auch wir kühlen mit flüssigem Helium und streben 4 Kelvin an. Und: Unserer Kryostat benötigt nicht mehr als 10 Kubikmeter.

Warum ist es wichtig, Quanten-Computing nicht nur zu simulieren? Warum ist ein Quantencomputer letztlich überlegen?

Georg Gesek: Bekanntermaßen kann ein Bit kann nur zwei Zustände annehmen: 0 und 1 - Strom an und Strom aus. die Rechenleistung skaliert also 2²; denn mit zwei Bits können sie in einem klassischen Computer immer nur eine Zahl auf einmal darstellen, nämlich die Zahlen von 0 bis 3. Die beiden Bits [0,0] ergeben die Zahl 0, mit [0,1] ist die Zahl 1 gemeint. Mit [1,0] die Zahl 2 und mit [1,1] die 3.

Ein dreidimensionales Qubit kann dagegen, zumindest derzeit noch theoretisch, unendlich viele verschiedene Zustände annehmen und das gleichzeitig. Also: die vier Zustands-Kombinationen, die die Zahlen 0 bis 3 darstellen sind durch nur einen Qubit und zur selben Zeit darstellbar.

Der Quantencomputer ist deshalb deutlich schneller. Selbst wenn man von nur zwei verschiedenen Zuständen ausgeht, die ein Qubit zur selben Zeit einnehmen kann, verdoppelt jedes dazu kommende Qubit die Anzahl der gleichzeitig darstellbaren Zustände. Und: Dieser Vorteil wächst exponentiell: Drei Qubits können schon acht Zustände einnehmen, 300 Qubits dann 2³⁰⁰ = 203703597633448608626844568840937816105146839366593625063614044935438129976333 6706183397376.

Man könnte auch sagen: Das Verhältnis dreht sich um: Statt 2¹⁰⁰ Operationen, für die ein herkömmlicher Computer rund 1 Milliarde Jahre benötigen würde, rechnet ein Quantencomputer mit vielleicht 100 Qubits 100² mal.

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Einerseits gibt es bei der Entwicklung von Quantencomputern eine starke internationale Zusammenarbeit, andererseits besteht ein Wettrennen, das seinesgleichen sucht. Nicht umsonst sind weltweit Militärorganisationen eingebunden. Und: Was passiert, wenn Quantencomputer tatsächlich alle bisherigen Verschlüsselungen knacken können?

Georg Gesek: Grundsätzlich muss man die Grundlagenforschung von den Weiterentwicklungen trennen. Im ersten Fall beschäftigen sich Wissenschaftler - absichtlich - mit unterschiedlichen Dingen. Letztlich gibt es Veröffentlichungen und Patente, auf die sich die Forscher berufen können. Bezüglich der Weiterentwicklung, der Anwendung in verschiedenen Branchen und Industrien, in der Kommerzialisierung steht Europa auf sehr, sehr wackeligen Beinen.

In den USA fließt viel mehr Geld in die universitäre Forschung. Das kann aber auch auf Kosten der Forschungsfreiheit gehen, so dass die Amerikaner sich hier gerne mit Instituten zusammentun. Doch das ist eine ziemliche Einbahnstraße. Die US-Konzerne lassen vielleicht ein paar Millionen hier, das wiegt aber das Know-how, das sie hier abholen, nicht auf. Am weitesten zugeknöpft sind vermutlich die Chinesen.

Und wie hält es Novarion?

Georg Gesek: Obwohl wir primär europäisch orientiert sind, sind wir Kooperationen mit dem MIT und der Stanford University eingegangen.

Übrigens: Nicht jeder Schlüssel wäre mit einem entsprechend wachsenden Vermögen der Quantencomputer geknackt. Es gibt bereits Innovationen im Bericht "Post Quantum Security", doch die sind in den meisten Fällen nicht implementiert.

Sind die Schlüssel nicht viel aufwändiger und benötigen erheblich mehr Bytes, Megabytes, und würden die Datenleitungen verstopfen?

Georg Gesek: Das muss nicht sein. Infineon etwa hat vor eineinhalb Jahren eine Post-Quantum-Lösung auf einen RFID-Chip gebannt. Weiß nur kaum jemand.

Worauf sind Sie, ist Novarion spezialisiert? Was ist von Ihrem Haus in Zukunft zu erwarten? Wie können Sie gegen die schier endlosen Budgets von Microsoft und Google bestehen?

Georg Gesek: Wir bauen ein hybrides System.

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Wollen das nicht alle - Google, D-Wave, IBM, Microsoft, Rigetti , Huawei ...?

Georg Gesek: ... und eine Handvoll Startups. Tatsächlich geht es bei den meisten um hybride Computer, da sich mithilfe der Quantenchips nicht alle Aufgaben lösen lassen. So ist bislang ein Supercomputer oder zumindest ein HPC-System notwendig, das den Datenstrom so aufbereitet, dass ein Quantencomputer seine Aufgabe erledigen kann.

Um welche Anwendungen handelt es sich dabei?

Georg Gesek: Simulationen und Optimierungen, etwa in der Logistik, im Gebäude-Management oder im Portfolio-Management von Finanzdienstleistern, in der Simulation von Quantensystemen selbst, in der Hochenergiephysik, bei allem, wo Moleküle berechnet werden müssen, um etwa einen neuen Impfstoff zu finden. Künstliche Intelligenz erledigt der Quantencomputer quasi nativ.

Sehen Sie: Worin besteht der wesentliche Unterschied zwischen dem IBM-System `Deep Blue`, das 1996 den damals amtierenden Schachweltmeister Garri Kasparow schlug und dem Google-Programm „Alphago“, das 2015 den mehrfachen Europameister Fan Hu besiegte. Im ersten Fall brachten Menschen dem System die Schachzüge bei. Im zweiten Fall gab man dem System die Möglichkeit, gegen sich selber zu spielen und unter Anwendung von so genannten Monte-Carlo-Algorithmen quasi zu lernen. Mit einem Quantencomputer hätte das nur schneller funktioniert.

Und im Vergleich zu einem Go-Spiel werden die Domänen, auf die KI angewandt größer, komplexer. Vielleicht haben wir einmal ein digitales Abbild von unserer Welt und können Umwelt-, Krankheits und Ökonomie-Probleme tatsächlich lösen.

Inwiefern unterscheidet sich der Novarion-Ansatz von dem der Mitbewerber?

Georg Gesek: Zunächst wollen wir einen universellen Quantencomputer bauen. In einem solchen können sich die Quanten nicht nur überlagern, superponieren, sondern auch verschränken.

In Abbildungen von Quanten beziehungsweise Qubits finden sich in einer Kugel zumeist (Zustands-)Vektoren eingezeichnet. Superposition bedeutet dann die Addition (oder Linearkombination) von Vektoren. Als Beispiel wird oft Schrödingers Katze angeführt: Man weiß nicht, solange der Karton ungeöffnet ist, ob die Katze tot oder lebendig ist, man weiß nicht, was das Qubit gerade macht, solange man es nicht untersucht. Davor ist der Zustand Wahrscheinlichkeit.

Die jetzigen Computer erlauben zu 96 Prozent ein Herumschieben der Vektoren auf der Kugel. Das aber ist zu wenig. Sind die Quanten jedoch in einem Gatter verschränkt und die Gatterstruktur bekannt, lassen sich Rückschlüsse ziehen.

Könnten Sie meiner Oma erklären, was Verschränkung ist?

Georg Gesek: Durch eine Verschränkung teilen sich etwa zwei Dinge dieselbe Information. Es ist so, als wenn dasselbe Wort, nicht zweimal das gleiche, in zwei verschiedenen Briefen stehen würde. Einmal verschränkt funktioniert sie über große Distanzen hinweg, sofern die verschränkten Teilchen isoliert werden.

So gibt es überall Verschränkung; zum Beispiel ziehen sich Massen durch Verschränkung an, Newton hat es einmal so ausgedrückt: "Weil sie sich lieben". Wir beobachten Verschränkung in Form von Kräften, Energie. Und es entstehen ständig neue Verschränkungen.

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Das klingt etwas spooky, nach Harry Potter und den Parallelwelten von Raumschiff Enterprise.

Georg Gesek: Tatsächlich ist das mit herkömmlicher Physik nicht zu erklären. Zum Beispiel galten bis vor Kurzem weder Schwarze Löcher, beziehungsweise die vor 20 Jahren entdeckte Schwarze Energie als erklärbar, noch die Beobachtung, dass sich das Weltall immer noch exponentiell ausdehnt und zwar in zunehmendem Tempo - so müsste sich die Ausdehnung nach einem Urknall eigentlich abschwächen. Quantenfeldtheorie und Relativitätstheorie passten nicht zusammen. In dem Begriff Neue Physik stecken nicht nur Erklärungen für Phänomene des Weltalls, sondern auch der kleinsten Teilchen, der Quanten.

Ich zitiere Richard Feynman: „Nature isn't classical, dammit, and if you want to make a simulation of nature, you'd better make it quantum mechanical, and by golly it's a wonderful problem, because it doesn't look so easy.“ (Die Natur ist nicht klassisch, verdammt, und wenn man eine Simulation der Natur machen will, sollte man sie besser quantenmechanisch machen, und Donnerwetter, das ist ein wunderbares Problem, denn es sieht nicht so einfach aus.)

Doch wie wollen Sie die Kopplung mit herkömmlichen Computern Umgehen? Die kanadische Firma D-Wave baut seit etwas über zehn Jahren Misch-Computer, mit mittlerweile mit bis zu 2048 Qubits.

Georg Gesek: Wir packen die Funktionen auf ein und denselben Chip. Das klassische Computing benutzen wir zum einen, um die Quantenfunktion zu füttern, aber auch die Berechnungen zu interpretieren. Dabei machen wir uns zunutze, dass die Gatterstruktur bekannt ist. Zwischen der Ein- und Ausgabe liegt ein Algorithmus, der die Quanten-Relationen beinhaltet. (mehr dazu siehe: Kasten „Die Universelle Quanten Maschine“.

Wie schwer tun sich Informatiker mit einem Prinzip, das mehr an Yin und Yang erinnert und Ursache-Wirkung, Ja-nein, entweder-oder ablöst?

Georg Gesek: Hmmh ... Ying und Yang .... Frauen haben vielleicht auch Vorteile? Aber es stimmt schon, ein vernetzes Denken und weniger ein betont analytisches ist von Vorteil. In jedem Fall aber muss man Lineare Algebra können.

Mit meiner Firma Quantum Science & Systems GmbH laden wir seit etwa zwei Jahren zu Quantum-Hackathons ein. Da lernen Informatiker innerhalb von zwei Tagen, wie sich ein Quantencomputer programmieren lässt. Denn es ist eine Sache, dass noch kein Quantencomputer existiert, den man sich ins eigene Rechenzentrum stellen kann, doch hat es in den vergangenen 18 Monaten geradezu einen Urknall gegen, der mehr als 100 Quantensimulatoren hervorgebracht hat.

Wir wissen doch, dass die Quantenrechner kommen. Das aber bedeutet, dass sich die Industrien heute darauf vorbereiten und Algorithmen entwickeln müssen. Die Hybrid-Chips sind bereits Generation 3. IBM setzt bereits 53 verschränkte Quanten ein und Google hat den Nachweis erbracht, dass Quantencomputer überlegen sind, selbst wenn das Problem lediglich ein für den Quantenrechner mehr als taugliches war und die Quanten in dem System sich nur mit den Nachbarn und auch nicht alle verschränken können.

Wie erfolgreich sind diese Hackathons? Und wie wichtig ist Open Source in diesem Bereich?

Georg Gesek: Etwa zwei Drittel der Teilnehmer haben nach den zwei Tagen das Prinzip so gut verstanden, dass sie mit diesem Rüstzeug entwickeln können. Die Tools, egal ob „Qiskit“ von IBM oder die Google-Tools, das ist alles Open Source. - Die gesamte IT-Industrie bewegt sich doch auf quelloffene Software zu.

Wenn Sie auf einem Zeitstrahl die Fortschritte im Quanten-Computing darstellen sollten, wie sähe die Einteilung aus?

Georg Gesek: Ein Bild, das die Fortschritte auf einer Zeitachse darstellt habe ich schon erstellt (siehe: oben). Die Grundlagen sind bereits geschaffen. Jetzt geht es bereits um die Optimierungen, Verkleinerung, einfachere Handhabung, bessere Ergebnisse.

Es braucht rund 100 Millionen Euro, um die Entwicklung eines industrietauglichen Quantenprozessors zu entwickeln, wenn man sparsam ist. Ein D-Wave-System kostet rund 15 Millionen. Aber die Industrien, die die Funktionen nutzen, werden Unmengen Geld damit verdienen.

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