Auch die „Zuse Z3“ war einmal ein Exot Microsoft veranstaltet „Explained“ zum Quanten Computing

Autor / Redakteur: M.A. Jürgen Höfling / Ulrike Ostler

Wann kommt der Quantencomputer aus seinem Exotendasein heraus? Eine spannende Frage, die auch die hochqualifizierten Experten der Digitalveranstaltung „Expained Quantum Computing“ von Microsoft EMEA Anfang Dezember nicht mit einer Jahreszahl beantworten konnten und wollten.

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Die „Orchidee“ Quantenrechner : Aus Exoten werden Elemente unserer Alltagswahrnehmung.
Die „Orchidee“ Quantenrechner : Aus Exoten werden Elemente unserer Alltagswahrnehmung.
(Bild: Marco_Barnebeck_pixelio.de)

Die deutschsprachige Veranstaltung mit dem vielfach ausgezeichneten österreichischen Quantenphysiker und Quantencomputer-Spezialisten Professor Matthias Troyer, derzeit Distinguished Scientist Quantum in der Microsoft-Zentrale in Redmond, als intellektuellem Kristallisationspunkt war erfreulich nüchtern in ihren Aussagen und Prognosen, stimmte aber gerade deshalb hoffnungsvoll.

„Wenn wir bei den Fehlerraten um den Faktor 1.000 besser werden, dann gibt es einen technologischen Durchbruch“, positioniert Professor Troyer die Messlatte und deutete damit gleichzeitig an, dass der Weg dorthin noch einige Zeit dauern wird: „Man sollte in der Planung nicht mit Wundern arbeiten“, führt er aus.

Quanteneffekte auf klassischen Rechner nachbilden

In seinem Vortrag hebt Troyer denn auch – ganz Realist, aber halt auch Quantenphysiker durch und durch - vor allem auf „Quanten-inspirierte“ Anwendungen ab. Das sind Anwendungen, die Quanteneffekte auf klassischen Rechnern nachbilden.

Als Beispiele berichtete der technische Leiter der Quantenrechnerentwicklung bei Microsoft von geschwindigkeits- und leistungsoptimierten MR-Tomographen-Forschungen und von Minimierungs-Lösungen für Verkehrsstaus, die den „Tunneleffekt“ der Quantenmechanik nachbilden, also die „Kurve nicht ausfahren“, sondern geradewegs von einer Steigung zur nächsten Steigung durchstechen.

„Klassische Teilchen können eine Energiebarriere nur überwinden, wenn sie mit Energieaufwand darüber gehoben werden. Quantenteilchen haben auch eine Chance, den Wall hinter sich zu lassen, wenn sie dafür eigentlich nicht genügend Energie besitzen – sie können durch das Hindernis tunneln.“
„Klassische Teilchen können eine Energiebarriere nur überwinden, wenn sie mit Energieaufwand darüber gehoben werden. Quantenteilchen haben auch eine Chance, den Wall hinter sich zu lassen, wenn sie dafür eigentlich nicht genügend Energie besitzen – sie können durch das Hindernis tunneln.“
(Bild: © MPI für Quantenoptik)

Interessant ist auch Troyers Beispiel einer Quantenrechner-Hardware-Stabilisierung durch topologische Qubits. Er exemplifiziert dies am Knoten eines Seils. Wenn man einen Knoten geeignet anstoße, ändere sich nicht der Knotentyp, sondern nur die Stelle, an der sich der Knoten befinde. Insofern führe eine topologische Speicherung eines Qubits („als Knoten“) zu stabileren Verhältnissen als eine Speicherung an einem Ort.

Man sieht: Der Weg zu weniger oder gar nicht verrauschten, so genannten logischen Qubits, ist mühsam, aber an guten Ideen mangelt es nicht.

Auch auf den eigenen Quantencomputer, auf dem solche Ideen ausprobiert werden können, muss niemand verzichten. „Mit Microsoft Azure Quantum steht längst eine vollständige offene Cloud-Umgebung mit Quantencomputer-Elementen zur Verfügung“, betont Troyer.

Anwendungsbereiche Materialforschung und Logistik

Im Grunde sei das eigentlich Vertrackte am Quantenrechner der Messprozess, sagt Johannes Oberreuter, Data Scientist & Quantum Group Practice Lead, Machine Learning Reply a/Reply AG. Symbolisch hatte Oberreuter beim Online-Event deshalb einen Zollstock zum Gespräch mitgebracht. „Mehrfaches Messen ist beim Arbeiten mit einem Quantenrechner immer nützlich“ erläutert er und fügt hinzu: „Beim Messen mit dem Zollstock ist das übrigens zuweilen auch sehr ratsam.“

Die Machine Learning AG beschäftigt sich mit Anwendungen in der Materialforschung und der Logistik. Oberreuter beschreibt in groben Zügen ein Kundenprojekt, das Effekte mit wasserbasierten Schmierstoffen im Bereich der Elektromobilität untersucht. Durch die Wasserbasis der Schmierstoffe besteht die Gefahr einer schnellen Korrosion der Bauteile. Mit Quantenrechner-Elementen untersucht die Machine Learning AG die Wechselwirkung von Wasser, Schmierstoff und Oberflächen, ein typisches Materialforschungsproblem, für das der Quantenrechner besonders gut geeignet sei.

Ein anderes Projekt, diesmal im Bereich Logistik-Optimierung, führen die Quantenrechnerspezialisten für die italienische Bahn durch. Dabei geht es um kurze Wege für die Passagiere beim Umsteigen. Das sei nicht nur eine Frage der Kundenfreundlichkeit, sondern auch eine Frage, wie viele Bahnsteige man durch diese Optimierungsstrategie in den Bahnhöfen einsparen könne.

Auch der weltgrößte Autozulieferer, die Robert Bosch GmbH, arbeitet in der Materialforschung mit Quantencomputing. Thomas Strohm, Senior Expert und Coordinator Quantum bei Bosch, berichtete bei dem virtuellen Event von Materialsimulationen im Bereich Batterien und Brennstoffzellen. Konkret geht es um die Qualitätsbeurteilung von Schweißpunkten. Für die diesbezügliche Bildanalyse nutzt der Autozulieferer Quantenrechnerelemente.

Optimierungen und Simulationen

Quantenrechner-basierte beziehungsweise -inspirierte Optimierungen im Finanzdienstleistungs- und Energiewirtschafts-Markt sind das Metier der Jos Quantum GmbH. Markus Braun, Founder & Managing Director der Firma, stellt die Anwendungen seiner Firma im Finanzmarkt dar: etwa Portfolio-Optimierungen, um beispielsweise bestimmte Ertragsziele möglichst risikoarm zu erreichen.

Die Jos GmbH kann sich nach Aussage von Braun ganz auf die Algorithmen konzentrieren, da diese unmittelbar angewendet werden könnten und kein Zwischenschritt notwendig sei, wie beispielsweise bei der Berechnung von Problemen in den Naturwissenschaften, bei denen erst einmal Messungen durchgeführt werden müssten.

Zurück zu Simulationsaufgaben in Technik und Naturwissenschaft führte den Zuhörer dann Dr. Iris Schwenk, COO und Co-Founder der HQS Quantum Simulation GmbH. Schwenk beschreibt anschaulich, wie aus Qubits und zu Gattern verschalteten Qubits eine Art Quanten-Assembler entsteht, der dann an die Hardware geschickt und dort verarbeitet wird. „Manches ist am Quantencomputer nicht ganz so toll, wie man es gern hätte“, gibt sie freimütig zu, andererseits könne man auch mit verrauschten Qubits arbeiten, sie dürften halt nicht „zu verrauscht“ sein.

Studiengänge und Chips für Quantencomputing

Bei all diesen Fallstudien aus der Praxis darf nicht vergessen werden, dass das „Programmieren“ eines Quantenrechners nur bedingt mit dem Programmieren klassischer Rechner gleichzusetzen ist. Und derzeit sind es in der Regel immer noch die Physiker, die dieses quantenphysikalische Monstrum namens Quantencomputer programmieren. Ein bisschen ist das wie zu den Zeiten, als Konrad Zuse seinen Relais-Computer „Z3“ 'programmierte', sozusagen ganz nah am Stromfluss beziehungsweise heutzutage ganz nah an den Photonen.

Mit neuen Studiengängen soll in den nächsten Jahren die Quantencomputer-Programmierung „Informatik-näher“ werden. Professor Peter Sperber, Präsident der TH Deggendorf, berichtete auf der Explained, dass die niederbayerische Hochschule nach dem schon eingeführten KI-Studiengang nächstes Jahr auch einen Studiengang Hochleistungsrechnen / Quantencomputing installieren werde. Informatik- und programmierorientiert, aber doch mit einem ausreichenden quantenphysikalischen Tiefgang, so dass die Studierenden die Basiskonzepte, die einem Quantenrechner zugrunde liegen, verstehen.

Zu diesen Basiskonzepten gehören neben der Theorie entsprechende elektronische beziehungsweise photonische Schaltkreise: „Chips sind auch beim Quantencomputer das Herzstück, wenn dieses auch aufgrund der äußerst kühlen Umgebungsbedingungen nahe am absoluten Nullpunkt noch anspruchsvoller als in der klassischen Halbleiterei gestaltet ist“, sagt Professor Helena Liebelt, Informatik-Professorin an der TH Deggendorf und Technical Program Manager bei Intel.

Liebelt macht deutlich, dass trotz der eben genannten außergewöhnlichen Umgebungsbedingungen viele Chip-Techniken wie beispielsweise Packaging oder CMOS auch in adaptierter Form für Quantenchips genutzt werden können. „Intel ist in der Lage, die entsprechende Technologie in den Mainstream einzubringen“, erklärt die Professorin.

Quantenrechner im Kontext des Klimawandels

Zu Anfang der Veranstaltung gab Judith Gerlach, die bayerische Staatsministerin für Digitales, ein engagiertes Bekenntnis der Staatsregierung zur Etablierung eines „Quanten-Valley“ in Bayern ab, wo nicht nur Grundlagenforschung betrieben werden soll, sondern wo auch marktfähige Produkte entstehen sollen, unter anderem ein Quantencomputer „Made in Germany“.

Und die Ministerin verknüpfte die Quantenrechnerei mit den Megathemen Klimaschutz und nachhaltiges Wirtschaften: „Wir müssen beides zusammen denken“, sagt sie, schließlich sei beispielsweise die energietechnische Netzsteuerung in Zeiten der Energiewende ohne gewaltige Rechnerkapazitäten überhaupt nicht denkbar. Der Quantencomputer spiele in entsprechenden Überlegungen eine wichtige Rolle.

Es ruhen also viele Hoffnungen auf diesem neuen Rechnertyp. Und es gibt eine große Zahl an technischen, organisatorischen und finanziellen Herausforderungen, so viele, dass es sicher auch Durststrecken bis zu der Zeit geben wird, in der dieser Rechner eine Form und Bedienbarkeit hat, die eher dem Typ „Server-Rack“ ähneln als dem Typ „Weltraum-Labor“, wie es heute noch der Fall ist.

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