Chancen für einen Quantensprung „Made in Europe“ Müssen sich Rechenzentren für Quantum neu erfinden?

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Immense Rechenleistung bei minimalem Stromverbrauch: Quantencomputer könnten eine Lösung sein, um den weltweit stetig steigenden Energieverbrauch von Rechenzentren einzudämmen. Doch welche Anforderungen stellt Quantentechnologie an die Infrastruktur und Sicherheit von Rechenzentren?

Das Quantum-Versprechen: Höhere Leistung, geringerer Verbrauch

Klassische Systemarchitekturen erfordern für mehr Rechenleistung proportional mehr Hardware und Strom. Quantensysteme skalieren hingegen exponentiell und benötigen dabei nur einen Bruchteil der Energie heutiger IT-Systeme. Dem französischen Quanten-Startup Pasqal ist es sogar gelungen, den Energieverbrauch von Quanten-Systemen noch weiter zu senken. Indem Pasqal Neutralatome als Qubits nutzt, lassen sich die Systeme des Start-ups auch bei Raumtemperatur betreiben. Sie verbrauchen dadurch deutlich weniger Strom für Kühlung und Betrieb als kryogene Quantencomputer – bei einer extrem hohen Performance.

Hybrides Quanten- und HPC-Computing

QPU von Pasqal arbeitet nun am Genci und bei CEA

Quantentechnologie ist auch – wenn auch noch nicht ausgereift – alles andere als realitätsfern. Zu den ersten praktischen Anwendungen gehören Projekte von Pasqal und Électricité de France (EDF): die Projektpartner simulierten dabei mit Quantentechnologie physikalische Prozesse, die direkt auf die Energieproduktion einwirken, wie etwa bei Windparks oder Photovoltaikanlagen. Dadurch lassen sich Umweltvariablen präzise modellieren, was klassische Computer nur eingeschränkt leisten können. Ein großer Schritt in Richtung der kommerziellen Quanten-Nutzung – mit dem Potenzial, die Leistungsfähigkeit von Rechenzentren erheblich zu steigern.

Cybersicherheit in der Quanten-Ära

Bei allen Vorteilen hat Quantencomputing zugleich grundlegende Auswirkungen auf die IT-Sicherheit. Scott Crowder, Vice President Quantum Adoption bei IBM, erklärte bereits letztes Jahr auf der VivaTech, dass asymmetrische Kryptographie ausgedient habe. Quantencomputer werden künftig in der Lage sein, die Public-Key-Kryptografie zu knacken, die heute noch den Großteil des digitalen Datenverkehrs schützt.

Denn ihre immense Rechenleistung ermöglicht es Quantencomputern, aktuell als sicher geltende Verschlüsselungsmethoden in kurzer Zeit zu brechen. Damit werden Rechenzentren angreifbar – und Daten-Vertraulichkeit und -Sicherheit bedroht.

Neutralatom-, Ionenfallen- und Katzen-Quibit-Quantencomputer

Quera gehört in die Auswahl für die Quantum Benchmarking Initiative der DARPA

Gleichzeitig schafft dieselbe Quantentechnologie die Grundlage für völlig neue Möglichkeiten, Daten und Kommunikation zu schützen. Quantensichere Technologien wie Post-Quanten-Kryptografie (PQC) und Quanten-Schlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, QKD) sind bereits verfügbar.

Sie geben Rechenzentrumsbetreibern schon heute Werkzeuge an die Hand, um langfristig die Sicherheit von Daten, digitalen Signaturen und Kommunikationsinfrastrukturen zu gewährleisten. Das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) fordert öffentliche Organisationen wie private Unternehmen auf, mit der Umstellung auf quantenresistente Verschlüsselung nicht länger zu warten. Einige, wie die Banque de France, sind hier schon einen Schritt voraus. Das Kreditinstitut hat bereits eine quantensichere Kommunikation erfolgreich getestet.

Quanten-„Verschränkung“ im Rechenzentrum

Mit Quantenbeschleunigung zur Quantenüberlegenheit

Eine solch komplexe Umstellung lässt sich in Rechenzentren allerdings nicht von heute auf morgen umsetzen. Denn es gilt, gleichzeitig Systemarchitektur, Prozesse und Maßnahmen zur Ausfallsicherheit ganz neu zu denken. Kurz: Das gesamte Ökosystem eines Rechenzentrums gehört auf den Prüfstand.

Rechenzentren der nächsten Generation

Der Einsatz von Quantentechnologie wird voraussichtlich eine neue Generation von Rechenzentren hervorbringen. Xanadu, ein kanadisches Startup, hat einen Quantencomputer entwickelt, der aus vier modularen Server-Racks besteht, die photonisch miteinander verbunden sind. Theoretisch lässt sich dieser Quantencomputer skalieren, um Quanten-Rechenzentren zu schaffen. Große Unternehmen wie SoftBank und Quantinuum erforschen hybride Architekturen, bei denen klassische CPUs und GPUs mit QPUs (Quantum Processing Units) zusammenarbeiten. Insbesondere für die kurz- bis mittelfristige Zukunft ist ein hybrider Ansatz sehr wahrscheinlich.

Jenseits von Science-Fiction

Photonische Quantentechnologien verändern das Leben

Allerdings wird sich Quantentechnologie nicht nahtlos in heutige Serverumgebungen integrieren lassen. Qubits reagieren sehr empfindlich auf Rauschen, Hitze und elektromagnetische Störungen – und heutige Rechenzentren bieten oftmals alle drei Störfaktoren in Überfluss. Es wird notwendig sein, das physische Layout, verwendete Materialien und Raumkonditionen zu überdenken, um Rechenzentren quantenkompatibel zu machen.

Die Zukunft hat begonnen

Das Quantenrennen ist in vollem Gange. Weltweit angeführt von China, das über 20 Milliarden Euro in Quantenforschung und -infrastruktur investiert. Doch Europa schließt auf: Deutschland plant Ausgaben von 3 Milliarden Euro und Frankreich von 2 Milliarden Euro. In der deutsch-französischen Zusammenarbeit liegt die Chance, Quantentechnologie „Made in Europe“ voranzutreiben. Zusammen verfügen beide Volkswirtschaften über alle industriellen und wissenschaftlichen Fähigkeiten dafür. Und Startups wie Planqc in Deutschland und Pasqal und Candela in Frankreich tragen maßgeblich dazu bei, Quantencomputing zur kommerziellen Nutzung und industriellen Anwendung zu verhelfen.

Fujitsu-Experten prognostizieren

Die Quanten-Schwerpunkte im Jahr 2025

Die Gefahren von Quantencomputing für die IT-Sicherheit – insbesondere von Rechenzentren – sind real und müssen adressiert werden. Auf der anderen Seite gibt es mit Quantentechnologie aber auch die Chance, eine völlig neue sicherheitsorientierte Grundlage für die nächste Generation von IT-Infrastrukturen zu schaffen. Denn Quantum ist mehr als eine neue Technologie – es ist eine neue Architektur für die digitale Welt. Und für Rechenzentren hat die Umstellung bereits begonnen.

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