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02.02.2023
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QUANTENCOMPUTING BRAUCHT GEDULD, FANTASIE UND EXPERTISE

Wie die neue Technlogie anwendungsbereit gemacht werden kann

Prof. Dr. Rüdiger Quay, Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF, Kompetenzzentrum Quantencomputing Baden-Württemberg, Freiburg

Prof. Dr. Rüdiger Quay, Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF, Kompetenzzentrum Quantencomputing Baden-Württemberg, Freiburg [Quelle: IAF]


Noch steckt das Quantencomputing tief in den Kinderschuhen, weiß Prof. Dr. Rüdiger Quay, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF. Vom Berechnen komplexer Moleküle in der Materialforschung beispielsweise sei man noch sehr weit entfernt. Allerdings schlummerten diesbezüglich enorme Potenziale in der Technologie.


Wie ist der aktuelle Stand beim Quantencomputing als Technologie, was kann sie potenziell leisten, was kann sie besser als herkömmliche Rechner?
Quantencomputing kann bereits heute gewisse numerische Probleme lösen, besonders in Kombination mit klassischer Technik. Im Vergleich mit normalen Rechnern ist ein Quantenvorteil jedoch noch nicht konkret sichtbar. Dennoch verspricht die Technologie langfristig einige Vorteile in der Skalierung spezieller Rechnungen, insbesondere in der Materialforschung oder in der klassischen Optimierung. Eine große Herausforderung ist die noch mangelnde Qualität und Stabilität der Qubits, also der Informationseinheiten von Quantenrechnern. Hier lassen sich Parallelen zu den ersten Computern in den 1940ern bzw. 50ern ziehen, deren Schaltelemente und Elektronenröhren noch sehr anfällig waren und oft ausfielen. Menschen konnten damals im Allgemeinen noch besser rechnen als diese Computer. Und heute? Übertrumpfen leistungsfähige Rechner längst das menschliche Gehirn. In der Quantencomputing-Forschung suchen wir gerade das, was später der Silizium CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) für die klassischen Computer wurde. Und mit jedem Tag kommen wir der praktischen Anwendung etwas näher.

Welche Vorteile bietet die Suche nach neuen Werkstoffen mithilfe von Quantencomputing?
Quantencomputer können spezifische Rechnungen – etwa Differentialgleichungen – auf eine völlig neue Art und Weise lösen. Die quantenmechanische Funktionsweise erlaubt absehbar eine viel effizientere Orbital- und Molekülberechnung, da sie den Eigenschaften von Atomen oder Molekülen viel ähnlicher sind. Dabei sind wir mit ein paar 100 Qubits bei heutigen Systemen erst am Anfang – bei Digitalrechnern nutzen wir Milliarden Transistoren pro Chip. Sobald Quantencomputer mit mehreren 1000 Qubits jedoch höher skalieren, können wir neue Materialien besser simulieren. Zudem ist die Zahlenverarbeitung, wie wir sie heute betreiben, sehr ineffizient und verbraucht riesige Energiemengen. Das führt dazu, dass sich viele Probleme wie die Simulation komplexer Moleküle derzeit gar nicht numerisch mit vertretbarem Aufwand lösen lassen. Durch die strukturellen Ähnlichkeiten können Quantencomputer dies viel energieeffizienter berechnen. Hier muss man nur den Kilowatt-Verbrauch an Strom für die Kühlung eines Quantensystems dem Megawatt-Verbrauch für die Rechenleistung eines digitalen Großrechners gegenüberstellen.

Wie lassen sich umweltbeeinträchtigende Produkte bzw. Verfahren oder auch Ressourcenverschwendung von Vornherein ausschließen?
Als Wissenschaftler am Institut für nachhaltige technische Systeme der Universität Freiburg sage ich klar: Die kann man nicht ausschließen. Aber ein großer Hebel liegt jedoch darin, die Forschung an neuen Materialien zu verbessern. Wie oben gezeigt, lässt sich durch Quantencomputing künftig viel Energie für Simulationen mit Großrechnern sparen. Viele Probleme von Interesse sind trotz langer Entwicklung der numerischen Codes auch im Jahr 2022 nicht lösbar. Schon einfachste Moleküle wie das Wasserstoff-Molekül überfordern uns mathematisch und numerisch mit der bisherigen Rechentechnik. Viele Entwicklungen basieren hier noch auf „Trial and error“. Dabei bestehen Medikamente oder Verbundstoffe aus noch viel komplexeren Molekülen mit vielen Bindungen. Wenn wir diese künftig mit Quantenrechnern gezielt simulieren können, würde das nicht nur viele Ressourcen sparen. Wir würden auch die Strukturen der Probleme besser verstehen, was langfristig riesige Chance in Medizin oder Biotechnologie eröffnete.

Welche Art der Förderung bzw. regulatorische Unterstützung benötigt das Quantencomputing noch?
Wie jede neue Technologie braucht Quantencomputing drei Dinge: Geduld, Fantasie und Expertise. Und das möglichst im Einklang, um die Möglichkeiten und Risiken zunehmend realistisch einzuschätzen. Es gibt eine Erfahrung in der Wissenschaftstheorie: Die Möglichkeiten neuer Technologien werden kurzfristig systematisch überschätzt, langfristig aber deutlich unterschätzt. Das wird besonders deutlich an der Genese des Internets: Niemand hatte dessen enorme Wirkung vorhersagen können, als man die ersten Rechenmaschinen baute. Das zeigt, wir sollten Quantencomputing als eine Zutat der Digitalisierung weiter systematisch fördern, denn technologische Entwicklungen auf atomarer bzw. Molekülebene werden uns neue Welten eröffnen. Ein weiterer unverzichtbarer Baustein ist die Weiterbildung von Menschen, um Expertise aufzubauen. Regulatorisch ist die Technologie nicht anders als jede andere: Es braucht Absprachen, Standardisierung und Normen, so dass unterschiedliche Ansätze parallel nutzbar werden. Da ist gerade im Moment viel zu tun. Zum Beispiel fehlt uns ein einheitliches Betriebssystem wie damals das MS-DOS oder Windows mit der dahinerstehenden Systematik.