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03.02.2023
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QUANTENCOMPUTING IST EIN MARATHON, KEIN SPRINT

Regulatorische Weichen stellen, strategisch Langzeitentwicklung fördern

Dr. Cornelius Hempel, Leiter der Ionenfallen-Quantumcomputing-Gruppe am ETH Zürich, Paul Scherrer Institut, PSI Quantum Computing Hub

Dr. Cornelius Hempel, Leiter der Ionenfallen-Quantumcomputing-Gruppe am ETH Zürich, Paul Scherrer Institut, PSI Quantum Computing Hub [Quelle: Privat]


"Quantencomputer können sehr nützlich sein", ist Dr. Cornelius Hempel, Leiter der Ionenfallen-Quantumcomputing-Gruppe am ETH Zürich - PSI Quantum Computing Hub, überzeugt. Aber quantenmechanische Prozesse reagierten empfindlich auf kleinste Störungen, adäquate Methoden zur Fehlerkorrektur würden noch erforscht. Der Wissenschaftler kennt diese Probleme, hat aber auch einen Plan für deren Lösung.


Wie ist der aktuelle Stand beim Quantencomputing als Technologie, was kann sie potenziell leisten, was kann sie besser als herkömmliche Rechner?
Quantencomputer als praktisch anwendbare Technologie stecken noch in Kinderschuhen. Sie sind heute aber keine Fantasie mehr, sondern treiben über Prototypen schon jetzt viele technologische Fortschritte an, die gar nichts mit Berechnungen zu tun haben. Das hängt mit den notwendigen Bauteilen und Fertigungsprozessen zusammen, welche oft auch in vielen anderen Gebieten Verwendung finden – ähnlich wie bei der Raumfahrt. 

Als spezialisierte Rechner sind Quantencomputer für bestimmte, ausgewählte Probleme sehr nützlich – allerdings erst, sobald man sie in entsprechender Größe verlässlich bauen kann. So können solche Rechenmaschinen weit effizienter als herkömmliche Computer die Struktur und das Verhalten von Atomen und Molekülen berechnen, da sie – genau wir diese – den Gesetzen der Quantenphysik folgen und diese nicht erst umständlich simulieren müssen. Davon profitieren sowohl Grundlagenforschung als auch industrielle Anwendungen, die unmittelbar uns allen Zugute kommen. Verlässlich funktionierende Quantencomputer erlauben es so, bisher unlösbare Rechenaufgaben in Physik und Chemie in Angriff zu nehmen und neue Wege in Materialwissenschaften oder auch Pharmazie zu eröffnen. Größere Quantencomputer können jedoch auch weit verbreitete Verschlüsselungscodes brechen – das ist die Anwendung, welche den Wettlauf zu dieser Technologie ursprünglich angeschoben hat.

Alle diese Anwendungen haben jedoch eines gemeinsam: der Computer soll verlässliche Ergebnisse liefern und auch bei längeren Rechnungen keine Fehler anhäufen. Bei herkömmlichen digitalen Computern ist das selbstverständlich. Bei Quantencomputern stellt dies eine immense Herausforderung dar, da quantenmechanische Prozesse äußerst empfindlich auf kleinste Störungen reagieren. Etablierte Methoden zur Fehlerkorrektur in Computern lassen sich dabei nur sehr beschränkt übertragen, so dass sich aktuell der Schwerpunkt der Forschung und Entwicklung in diese Richtung bewegt. Die Entwicklung dieser Quantenfehlerkorrektur macht inzwischen bedeutende Fortschritte. So gelang es verschiedenen Forschungsgruppen und Unternehmen 2021 erstmalig, mehrere physische Quantenbits (Qubits) zu einem sogenannten logischen Quantenbit zusammenzuschalten. Dazu wurden etwa 20 physische Qubits kombiniert; für ein einzelnes, fehlerfreies logisches Qubit sind aber wahrscheinlich mindestens 50-100 physische Qubits sowie weitere Fortschritte in der Hardware notwendig. Daher auch das Streben nach mehr Qubits und besserer Qubit Qualität – beides regelmäßig präsent als Schlagzeilen in Technologiemagazinen und Pressemitteilungen von Instituten und Unternehmungen.

Parallel zu diesem, eher klassischen, Ansatz der Technologieentwicklung gibt es jedoch aktuell auch einen Wettlauf darum, ein kommerziell relevantes Problem zu finden, bei dem man auch schon mit den aktuell fehlerbehafteten, physischen Qubits einen Rechenvorteil erlangen kann. So wächst die Anzahl der potenziellen Anwendungen für Quantencomputer stetig – bisher aber immer mit der Erkenntnis, dass Fehlerkorrektur für einen Vorteil notwendig ist.


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DIE DOKUMENTATION DIESER FACHDEBATTE

Welche Vorteile bietet die Suche nach neuen Werkstoffen mithilfe des Quanten-Computing?
Ein Quantencomputer könnte vom Prinzip her Werkstoffe von Grund auf, d.h. Atom für Atom, modellieren und ihr Verhalten unter verschiedenen Umweltbedingungen wie Temperaturen, Druck und Belastung simulieren. So liessen sich Vorhersagen über die Materialeigenschaften treffen, die man heute auch mit Näherungsrechnungen auf Supercomputern nicht ermitteln kann. Man könnte also neue Materialien genau wie Gebäude und Maschinen im Computer entwerfen, ohne dass man sie erst stückweise zusammensetzt und testet. Weitere Anwendungen sind im Bereich maschinelles Lernen und der Planung und Optimierung zu finden. Beim maschinellen Lernen geht es darum, in einer Menge von Daten Muster zu finden, mit denen der Computer neue Materialien klassifizieren und Eigenschaften vorhersagen kann, ohne alles von Grund auf neu zu berechnen. Optimierungsprobleme findet man überall in der Industrie. Hier geht es um die effiziente Nutzung beschränkter Ressourcen und auch dort gibt es bereits Quantenalgorithmen, die Vorteile versprechen – sobald der fehlerkorrigierte Quantencomputer Realität ist.

Wie lassen sich umweltbeeinträchtigende Produkte bzw. Verfahren oder auch Ressourcenverschwendung von Vornherein ausschließen?
Diese Frage ist gut, aber nicht spezifisch zu Quantencomputern, sondern eher generell zu beantworten. Hier stehen wir einerseits alle als Konsumenten in der Verantwortung und müssen unseren Teil beitragen, aber auch die Nutzer der Technologie müssen die entsprechenden Rahmenbedingungen setzen, um beispielsweise Optimierungsrechnungen so aufzustellen, dass Ressourcen und die Umwelt geschont werden. In dieser Hinsicht unterscheiden sich Quantencomputer also nicht von anderen Technologien.

Welche Art der Förderung bzw. regulatorische Unterstützung benötigt das Quantencomputing noch?
Auch wenn sie eben noch nicht als nutzbringende Technologie existieren, sind Quantencomputer schon jetzt ein Opfer ihres Erfolgs in der aktuellen ersten Welle kommerziellen Interesses. Quanteneffekte wie Überlagerungszustände (Superposition) und Verschränkung (Entanglement), die man in unserer alltäglichen Welt nicht findet,bergen ein großes Maß an Potential, sind jedoch naturgemäß schwer zu verstehen. Das vernebelt die Wahrnehmung um den tatsächlichen Stand der Technologie und sorgt, gekoppelt mit übertrieben optimistischen Aussagen von Firmen und begeisterten Medienberichten, für eine Überschätzung der Technologie zum heutigen Zeitpunkt. So wird der Blick auf den wahren Langzeitnutzen von kurzfristigen Schlagzeilen überdeckt und es besteht die Gefahr der großen Desillusion – ein Schicksal, welches schon anderen Technologien widerfahren ist. Der Wettlauf lohnt sich dennoch und jetzt ist der Zeitpunkt, regulatorische Weichen zu stellen und strategisch die Langzeitentwicklung zu fördern. Es gilt zu erkennen, dass Quantencomputing ein Marathon und kein Sprint ist. Die Technologie hat das Potential, der Menschheit großen Nutzen zu bringen, aber eben nur, wenn sie auch zu Ende entwickelt wird und die Rahmenbedingungen entsprechend gesetzt sind.