Quantencomputer-Status-Quo

Erste Tools, Erfolgsgeschichten und die Forschung hinter dem Quanten-Computing

| Autor / Redakteur: Filipe Martins und Anna Kobylinska* / Ulrike Ostler

Ein Katzensprung: Wissenschaftler aus dem deutschen Sprachraum legten bereits im 20. Jahrhundert den Grundstein für Quantencomputing.
Ein Katzensprung: Wissenschaftler aus dem deutschen Sprachraum legten bereits im 20. Jahrhundert den Grundstein für Quantencomputing. (Bild: gemeinfrei - Pixabay / CC0)

Vielerorts bewährt sich Quanten-Computing bereits in praktischen Einsatzszenarien. Die ersten Anwendungen in der Wirtschaft folgen wie üblich auf die Pionierarbeit der Grundlagenforscher.

„Die Natur ist nicht klassisch,“ bemerkte seinerzeit der berühmte theoretische Physiker Richard Feynman. Wenn man also die Natur simulieren wolle, müsse man die Aufgabe „am besten quantenmechanisch anpacken“, argumentierte der Wissenschaftler.

In der Abbildung ist eine Visualisierung der Schrödinger-Gleichung zu sehen.
In der Abbildung ist eine Visualisierung der Schrödinger-Gleichung zu sehen. (Bild: gemeinfrei - Pixabay / CC0)

Zwei solche Anwendungsszenarien liegen an der vordersten Front der Quantenrevolution: Materialforschung und Wettersimulation. Doch quantenmechanische Lösungsansätze bewähren sich zunehmend auch jenseits der Naturwissenschaften, zum Beispiel als das Rückgrat Quanten-Maschinellen-Lernens beim Lösen von Optimierungsproblemen auf der Basis von Sensordaten in nahezu beliebigen Disziplinen (mehr dazu im Abschnitt „Quanten-Maschinelles Lernen“ weiter unten).

Potenzial gibt es zu Genüge, ob in der Kryptografie dank quantenmechanischer Erkennung von Lauschversuchen beim Schlüsselaustausch, Blockchain-Anwendungen (zur Vermeidung von Missbrauch im Sinne des Byzantinischen Fehlers oder anderen spezialisierten Anwendungen wie der Gesichts- und Spracherkennung, Suchalgorithmen, industriellen Simulationen beispielsweise). „[Quantencomputing] könnte das Design von Solarzellen, Industriekatalysatoren, Batterien, flexiblen Schaltkreisen, Medikamenten, Materialien und vielen anderen Instrumenten revolutionieren.“ sagt Ryan Babbush dazu, Quantum Software Engineer bei Google.

All-umfassend: Die Spannweite der Anwendungsszenarien von Quanten-Computing reicht laut Gartner von der Proteinfaltung zur Materialforschung, von der Transportverschlüsselung bis hin zur Bioinformatik, vom autonomen Fahren bis hin zur Photonik.
All-umfassend: Die Spannweite der Anwendungsszenarien von Quanten-Computing reicht laut Gartner von der Proteinfaltung zur Materialforschung, von der Transportverschlüsselung bis hin zur Bioinformatik, vom autonomen Fahren bis hin zur Photonik. (Bild: Gartner)

Ergänzendes zum Thema
 
Die Möglichkeiten kurzgefasst

Der 2000-Qubits starke, rund 15 Millionen USD pro System teure Quanten-Annealer von D-Wave bewährt sich bereits seit 2017 in den Forschungslaboren des Volkswagen-Konzerns. Zu den ersten Anwendungen zählte die Verkehrsflussoptimierung.

Die aktuelle Herausforderung ist eine neue Iteration des Verkehrsflussproblems: Quanten-gestützte Cluster-Analyse auf der Basis von maschinellem Lernen. Um auf die D-Wave-Architekturen abgebildet zu werden, muss die Aufgabe als ein quadratisches uneingeschränktes binäres Optimierungsproblem ausgedrückt werden. Sobald dies gelingt ist, könne der Quanten-Annealer eine vergleichbare Genauigkeit zu einem klassischen Clustering-Algorithmus erreichen, heißt es bei D-Wave.

Erwiesen: Vorteile des Quantencomputer gegenüber klassischen Rechnern

Wissenschaftler von IBM, der Technischen Universität München (TUM) und der Universität zu Waterloo haben neuerdings die Vorteile von Quantencomputern gegenüber klassischen Computern nachgewiesen. „Unsere Arbeit liefert einen bedingunslosen Beweis für einen rechnerischen Quantenvorteil und zeigt gleichzeitig ihren Ursprung auf: Er ist eine Konsequenz der Quanten-Nichtlokalität,“ schreiben die Forscher Sergey Bravyi, David Gosset und Robert König in ihrem Bericht.

Doch es muss mehr getan werden. Denn heutige Quantencomputer eignen sich für einige extrem anspruchsvolle, hochspezialisierte Rechenoperationen, doch sie bieten bei Weitem noch nicht die Vielseitigkeit einer universellen Turing-Maschine. An Herausforderungen mangelt es wahrlich nicht.

So ist zur Erhaltung der Kohärenz eines Quantencomputers eine hohe Robustheit der Quantenzustände erforderlich. Sowohl Gitterschwingungen in dem verwendeten Material selbst als auch magnetische Wechselwirkungen mit der Umgebung können leicht zur Dekohärenz führen.

Bisherige Ansätze verlangten nach einer langen Elektronenspinlebensdauer von mehr als 100 Nanosekunden und Temperaturen nahe der absoluten Null (-273 Grad). So darf die interne Kühltemperatur bei dem D-Wave den Wert von -273,13 Grad nicht überschreiten; sie liegt also im laufenden Betrieb bei maximal 0,02 Grad über dem absoluten Null.

Ein Forschungsteam unter der Leitung des deutschen Quantenphysikers Professor Winfried Hensinger, PhD MSc. Grad Cert ED, konnte kürzlich einen Durchbruch erzielen. Praktische Anwendungen von Quantencomputern dürften bald näher an die Realität rücken. Die Bedeutung der Quantenforschung in den kommenden Jahren dürfte nur noch zunehmen.

„Quantum Flagship“, ein Vorzeigeprojekt der Europäischen Union

2018 markiert den Start mehrerer Initiativen im Bereich der Forschung an Quanten-Computing. Eine der größten europäischen Forschungs- und Innovationsinitiativen in diesem Bereich wurde treffend auf den Namen „Quantum Flagship“ getauft. Mit einem Budget von 1 Milliarde Euro und einer Laufzeit von zehn Jahren bringt das Projekt Forschung, Wissenschaft, Industrie, und Politik „in einer gemeinsamen und gemeinschaftlichen Initiative von beispiellosem Ausmaß“ zusammen, so die offizielle Absichtserklärung.

Das Hauptziel bestehe darin, die wissenschaftliche Führungsposition und Exzellenz in Europa in diesem Forschungsbereich zu festigen und auszubauen sowie die Quantenphysik-Forschung mithilfe kommerzieller Anwendungen und disruptiver Technologien aus dem Labor auf den Markt zu bringen. Mit über 5.000 Forschern soll die nächste Generation von „bahnbrechenden Technologien“ geschaffen werden.

Noch mehr Quanten-Technik am Horizont: OpenSuperQ

Im Oktober 2018 geht „OpenSuperQ“ mit den Mitteln des Forschungsprojektes „Horizon 2020“ der Europäischen Union an den Start. Zehn internationale Partner aus der Wissenschaft und Wirtschaft, darunter die Universität des Saarlandes, die Eurice GmbH und die Forschungszentrum Jülich GmbH, die Eidgenössische Technische Hochschule Zürich und die Zurich Instruments AG, haben sich in diesem Projekt zusammengeschlossen.

Diese internationale Initiative zielt darauf ab, einen offenen supraleitenden Quantencomputer mit bis zu 100 Qbits und einen vollständigen Quantencomputing-Stack zu entwickeln. Im Rahmen dieses Projektes zeichnet die Zurich Instruments AG für die Instrumentierung verantwortlich und hat dahingehend das weltweit erste kommerzielle Kontrollsystem zur Steuerung von Quanten-Geräten entwickelt.

Vorbildlich: Dieses Modellexperiment zur Quantenkryptografie wurde im bundesweiten Wettbewerb „INVENT a CHIP“ ausgezeichnet.
Vorbildlich: Dieses Modellexperiment zur Quantenkryptografie wurde im bundesweiten Wettbewerb „INVENT a CHIP“ ausgezeichnet. (Bild: BMBFD)

Das Steuersystem besteht aus 4 Elementen: dem neuen programmierbaren Quantum System Controller (PQSC) zur Synchronisierung und Steuerung von bis zu 18 Quanten-Instrumenten, dem neuen UHFQA Quantum Analyzer, der bis zu 10 Qubits gleichzeitig auslesen kann, dem HDAWG Arbitrary Waveform Generator (einem kompakten Gerät zur Qubit-Steuerung) und der Steuerungssoftware LabOne. Damit sind solide Grundlagen für die bevorstehende Forschungsarbeit geschaffen worden.

Quanten-Maschinelles Lernen

Am Schnittpunkt der Quantenphysik und maschinellen Lernens (ML) entsteht ein neues interdisziplinäres Forschungsgebiet: Quanten-Maschinelles Lernen. Die gebräuchlichste Verwendung des Begriffs bezieht sich auf maschinelle Lernalgorithmen zur Analyse klassischer Daten, die auf einem Quantencomputer ausgeführt werden. Dies umfasst Hybridverfahren, die sowohl klassische als auch Quanten-basierte Informationsverarbeitung umfassen. (Hierbei werden rechenintensive Unterprogramme in ein Quantengerät ausgelagert.)

Forscher der Universität Purdue möchten solche hybriden Quanten-Computing-Algorithmen, eine so genannte Quanten-Boltzmann-Maschine, auf Sensordaten aus dem Stromnetz loslassen. In dieser Projektphase soll Quanten-Maschinelles Lernen die Qualität der Energieversorgung stabilisieren. Als künftige Anwendungsszenarien der Algorithmen avisieren die Wissenschaftler Optimierungen der Effizienz von Solarparks, Versorgungsketten und der Logistik im Allgemeinen.

Der generationelle Quantensprung

Ein komplexes Feld wie Quanten-Computing bedarf gut ausgebildeter Fachkräfte sowohl im Bereich der Forschung als auch zur Anwendung dieser Technologien. Die physikalischen Grundprinzipien der Quantentechnologien erschließen sich Nachwuchstalenten natürlich nicht von selbst. Universitäten und Forschungsgemeinschaften haben daher alle Hände voll zu tun.

Die Liste von Forschungsgemeinschaften liest sich wie das Who-is-Who der deutschen Naturwissenschaften:

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert Forschung mit direktem Bezug zu Quantentechnologien bereits seit mehreren Jahren. Allein 2018 steht Antragstellern eine Bewilligungssumme von 52,9 Mio. Euro zur Verfügung. Die Max-Planck-Gesellschaft (MPG) treibt die zweite Quanten-Revolution an vielen Fronten der Grundlagenforschung.

Getreu dem bahnbrechenden wissenschaftlichen Beitrag ihres Namensgebers fördert die Max-Planck-Gesellschaft Grundlagenforschung zu Quantentechnologien mit einem Auge auf die bevorstehende zweite Quantenrevolution. Das Max-Planck-Institut (MPI) für Quantenoptik in Garching forscht bereits seit 1981.

1993 entstand das experimentelle Teilinstitut des MPI für Gravitationsphysik in Hannover und ein Jahr später das MPI für die Physik komplexer Systeme in Dresden. Der Physik des Lichts geht seit 2009 das MPI in Erlangen auf den Grund.

Für die Forschung der vielen spezialisierten Aspekte der Quantenthematik zeichnen auch die Max-Planck-Institute für Festkörperforschung in Stuttgart, für die Chemische Physik fester Stoffe in Dresden, für die Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg, für Mikrostrukturphysik in Berlin sowie das Fritz-Haber-Institut in Berlin verantwortlich.

Mit der Grundlagenforschung zu Quantentechnologien an all diesen Instituten sieht sich die MPG als Wegbereiterin und Unterstützerin des aktuellen Fachprogramms Quantentechnologien mit ihrem tiefgrei fenden Know-how, zum Beispiel in den Bereichen:

  • Quantencomputing und Quantensimulation (Berlin, Dresden, Garching, Halle, Hamburg und Stuttgart),
  • Quantenkommunikation, inklusive Satellitenkommunikation (Garching und Erlangen), und
  • Quantenmetrologie, insbesondere höchstempfindliche interferometrische Sensorik (Hannover und Erlangen).

Das Augenmerk der MPG im Bereich der Grundlagenforschung liegt in der Erschließung neuer Themenfelder, der Patentierung neuer Ideen sowie dem Aufbau nationaler und internationaler Forschungsnetzwerke. Hierbei leistet die MPG einen aktiven Beitrag an der Überführung von grundlegenden Phänomenen der zweiten Quantenrevolution in anwendungsrelevante Technologien, unter anderem im Rahmen der unabhängigen Max-Planck-Forschungsgruppen und der International Max Planck Research Schools.

Zukunftsweisend: Die Quantum Futur-Akademie des BMBF ist eine Praxiswoche mit Seminaren, kreativen Innovationsworkshops und Einblicken in Forschungseinrichtungen und Unternehmen.
Zukunftsweisend: Die Quantum Futur-Akademie des BMBF ist eine Praxiswoche mit Seminaren, kreativen Innovationsworkshops und Einblicken in Forschungseinrichtungen und Unternehmen. (Bild: BMBF)

Die Fraunhofer-Gesellschaft entwickelt Basistechnologien als modulare Quanten-Tools. Im Spitzenfeld des internationalen Wettbewerbs positioniert sich die Forschungseinrichtung mit einer Investition von rund 20 Millionen Euro zur Förderung weitläufiger Forschungsaktivitäten innerhalb einer priorisierten strategischen Initiative der „Agenda Fraunhofer 2022“.

Eine Transfer- und Verwertungsinfrastruktur für den deutschen und europäischen Wirtschaftsraum wird mit einer fachübergreifenden Bündelung der Kompetenzen von zwölf Fraunhofer-Instituten etabliert. Eine zentrale Rolle für die Einbindung von Exzellenzpartnern spielen außerdem Fraunhofer-/Max-Planck-Kooperationsprojekte unter anderem im Bereich der Festkörperforschung und Magnetfeldsensorik.

Die Helmholtz-Gemeinschaft adressiert Fragestellungen im Bereich der Quantentechnologien von grundlegenden quantenphysikalischen Phänomenen über Materialforschung und Bauteilentwicklung bis hin zur Realisierung funktionaler technischer Systeme.

Die Leibniz-Gemeinschaft ist wiederum federführend bei der Entwicklung photonischer Technologien. Das Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) betreibt moderne Werkstoffwissenschaft auf naturwissenschaftlicher Grundlage und spannt dabei einen Bogen vom Erkenntnisfortschritt auf den Gebieten Physik und Chemie bis zur technologischen Vorbereitung neuer Materialien und Produkte.

Das IFW forscht zu Halbleitern, magnetischen Werkstoffen und Bauelementen, die perspektivisch in den Quantentechnologien genutzt werden können. Eine zentrale Fragestellung dabei ist, ob es Grenzen für die Größe von Halbleiterquantensystemen gibt. Dabei geht es nicht nur um die Miniaturisierung hin zu immer kleineren Maßstäben, sondern auch um die Skalierbarkeit von Quantenstrukturen nach oben, hin zu immer größeren Netzwerken. Dies ermöglicht die Untersuchung der technischen Grenzen im Bereich der Quanteninformationstechnologie.

Quantentechnologien von den Grundlagen zum Markt

Bundesforschungsministerin Anja Karliczek möchte Deutschland bei Quanten-Computing Wettbewerbsvorteile zusichern. Die Bundesregierung will dafür in dieser Legislaturperiode Fördermittel in Höhe von 650 Millionen Euro bereitstellen, um „die Quantentechnologien in Deutschland auf ein wissenschaftlich und wirtschaftlich zukunftssicheres Fundament“ zu stellen.

Bundesministerin Anja Karliczek spricht sich für Quantenforschung aus.
Bundesministerin Anja Karliczek spricht sich für Quantenforschung aus. (Bild: BMBF)

Die Bundesregierung möchte „die richtigen Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft zusammenbringen“ und „attraktive Standorte für die Forschung aufbauen“. Als Anwendungsbereiche avisiert die Bundesforschungsministerin Karliczek unter anderem die Entwicklung einer sicheren Informationsübertragung. Der Maßnahmenkatalog beinhalte demnach Kompetenzzentren, Netzwerke und Verbundprojekte mit der Wirtschaft, die Einrichtung von Forschungsgruppen für Nachwuchswissenschaftler und auch die Klärung von Fragen im Zusammenhang mit der Fachkräfteausbildung der aufkommenden Quantenbranche.

Karliczek kommentiert: „Ich bin zutiefst davon überzeugt, in einigen Jahren werden wir in Deutschland viele Institute und Firmen finden im Bereich der Quantentechnologie, so wie wir es schon heute haben im Bereich der Elektronik, der Chemie oder auch der Lasertechnik.“ Die breite deutsche Forschungs- und Technologieinfrastruktur und deren enge Vernetzung mit der deutschen mittelständischen Wirtschaft seien ein zentraler Wettbewerbsvorteil.

*Das Autoren-Duo

Die Autoren des Artikels, Anna Kobylinska und Filipe Pereira Martins arbeiten für McKinley Denali Inc. (USA).

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