Quantentechnologie

Die Rechner-Revolution
Computer dringen in neue Dimensionen vor, indem sie Milliarden Rechenoperationen in Sekundenbruchteilen durchführen. Langsam, aber sicher entdecken verschiedene Branchen die Technologie.
TEXT: PHILIPPE DULUC

Ein wichtiger Meilenstein in der Entwicklung von Quantenrechnern wurde am 10. November 2017 erreicht. An jenem Freitag verkündete IBM, einen Prozessor entwickelt zu haben, der über 50 Quantenbits (Qubits) verfügt. Zuvor hatten Entwickler prophezeit, dass 50-Qubits-Chips die sogenannte Quantum-Supremacy einläuten, sie also hochkomplexe Rechenoperationen in Millisekunden schaffen, für die bisherige Supercomputer Jahrzehnte brauchen.

In dem Wettrennen, die Vorteile der Quantenphysik und den Supraleitungseffekt technologisch zu nutzen, mischen neben IBM alle großen Player wie Google, D-Wave Systems und Microsoft kräftig mit. Auch Intel ist weit vorn im Feld: Der Konzern nutzte die Technikmesse CES 2018 im Januar, um über seinen 49-Qubit-Chip zu berichten. Das Unternehmen will den Prozessor unter anderem nutzen, um an Verfahren zur Fehlerkorrektur zu forschen, die für den Betrieb von Quantencomputern nötig sind und anders funktionieren als bei bisherigen Computern. Andere Störfaktoren haben Forscher und Entwickler der Quantenrechner mittlerweile weitgehend unter Kontrolle, auch wenn der Schritt von Prototypen bis zur Serienreife noch dauern wird.

Das Potential für die enorme Rechenleistung steckt in der CPU mit ihren Qubits. Diese können nicht nur die Zustände „0“ und „1“ einnehmen, wie es bei herkömmlichen Bits der Fall ist, sondern auch unbegrenzt viele Werte dazwischen. Qubits sind so in der Lage, Informationen wesentlich schneller zu verarbeiten.

VON MOLEKÜLEN BIS ZUR PRODUKTION

Tests mit Quantenrechnern laufen bereits auf mehreren Gebieten. So zählt beispielsweise Volkswagen zu denen, die bereist Quantum- Computing betreiben. Der Autokonzern nutzt die Bewegungsdaten von 10.000 Taxis in der Staumetropole Peking, um Verkehrsflüsse in der chinesischen Hauptstadt zu simulieren. Zudem optimiert die Quantentechnik die Routen der Taxis. Der Test liefert relevante Ergebnisse für die künftige Verkehrssteuerung, in der autonomen und vernetzten Autos eine wichtige Rolle zufällt.

In der Chemie ist der Ablauf einer Nitrogenase-Reaktion eines der ungelösten Rätsel, das mit Hilfe von Quantum-Computing geknackt werden kann. Wie Moleküle interagieren, interessiert etwa die Pharmaindustrie. Klassische Rechner schaffen es dabei lediglich, das Szenario bei einfachen Molekülen zu analysieren. Ein Quantenrechner von Google untersuchte bereits komplexe Wasserstoffmoleküle und deren Reaktion mit anderen Stoffen. Solche Daten bilden die Grundlage, um Medikamente weiterzuentwickeln.

Auch im Energiesektor spielt Quantum-Computing eine bedeutende Rolle. So nutzt das amerikanische Oak Ridge National Laboratory (ORNL) die „Atos Quantum Learning Machine“ (Atos QLM), einen Quantensimulator. Mit einer Prozessorleistung, die etwa 30 Qubits entspricht, forscht das Institut damit nach neuen Methoden zur Erschließung erneuerbarer Energien und zum Umweltschutz. Bildanalyse und Objekterkennung sowie maschinelles Lernen zeichnen sich ebenso dadurch aus, dass eine große Zahl von Kombinationen und möglichen Lösungswegen gegeben ist – die Paradedisziplin der Quantenrechner. Das Internet der Dinge und die vernetzte Produktion drängen sich als Einsatzgebiet geradezu auf, weil in solchen Umgebungen Unmengen an Daten in Echtzeit verarbeitet und die Resultate umgehend bereitgestellt werden müssen.

Das beachtliche Rechenvermögen von Quantencomputern beruht auf dem physikalischen Phänomen der Verschränkung. Dieser Quanteneffekt beschreibt das Koppeln von Qubits, wobei sich eine Zustandsänderungen eines Qubits auf alle verschränkten Qubits überträgt. Das geschieht sofort und ortsunabhängig. So wiesen chinesische Physiker eine Verschränkung zwischen zwei Lichtteilchen nach, die sie von einem Satelliten zu zwei Bodenstationen gesendet hatten, die 1.200 Kilometer voneinander entfernt lagen. Das Experiment war noch aus einem anderen Grund bedeutend: Es testete eine Form der abhörsicheren Kommunikation, bei der zwei Parteien per Quantenlink sogenannte Quantenschlüssel austauschen. Ein Lauschangriff während der Nachrichtenübertragung würde die extrem sensible nichtlokale Verbindung zwischen den Quanten zerstören und sofort auffallen.

Zugleich sorgt die Entwicklung dafür, dass klassische Verschlüsselungstechniken verbessert werden müssen. Denn diese können von extrem leistungsfähigen Quantencomputern häufig leicht geknackt werden. Wenn also Cyberkriminelle oder für Regierungen agierende Hacker sich Zugang zu Quantensystemen verschaffen, könnte das ganze Industrien und Staaten in Gefahr bringen. Das gilt vor allem für asymmetrische Verschlüsselungstechniken, die mit öffentlichen (Public- Key-Systemen) und privaten Schlüsseln arbeiten. Schutz vor einer Quantenrechner-Attacke bietet, wie das Verschränkungsexperiment zeigte, die Quantentechnik selbst.

TECHNIK IST NOCH SEHR TEUER

Die Chancen von Quantencomputern sind also groß, der Aufwand für ihren Einsatz allerdings immens: Die Technologie nutzt supraleitendende Materialien, weshalb eine Kühlapparatur nötig ist, die für Temperaturen von minus 273 Grad Celsius sorgt. Außerdem muss die Ausstattung vor sämtlichen äußeren Einflüssen abgeschottet sein. Vor allem Magnetfelder und selbst geringe Erschütterungen könnten den Quantenrechner sonst stören. In der aufwendigen Technik liegt die Ursache, dass sich die Anschaffungskosten der preisgünstigsten Systeme derzeit im zweistelligen Millionen-Dollar-Bereich bewegen.

Es gibt jedoch Alternativen, ins Quantum-Computing einzusteigen – zum Beispiel über die Cloud. IBM stellt Nutzern seinen Q-Quantencomputer über die eigene Cloud-Plattform „IBM Quantum Experience“ zur Verfügung. Bei Google nennt sich ein vergleichbarer Ansatz „Project Q“. Entwickler erhalten so die Chance, Code für Quantencomputer zu erstellen. Ein Quantensimulator wie die Atos QLM stellt eine weitere Option dar, Quantensoftware zu entwickeln und zu testen.

Das Potential der Quantentechnik scheint unerschöpflich. Analysten bewerten die Marktchancen allerdings sehr unterschiedlich. Das amerikanische Marktforschungsinstitut Technavio sagt beispielsweise für das Jahr 2021 einen Umsatz von 300 Millionen Euro voraus, den Unternehmen mit Quantenrechnern weltweit erzielen. Das Beratungshaus Persistence Market Research geht in seiner Prognose hingegen deutlich weiter. Es erwartet, dass der Weltmarkt für Quantencomputer schon 2025 ein Volumen von 23 Milliarden US-Dollar aufweisen wird.

Fest steht jedenfalls: Quantenrechner werden in Zukunft eine zentrale Rolle in weiten Teilen der Wirtschaft spielen. Frühzeitig die Superrechnerrevolution für seine Zwecke zu nutzen erhöht die Aussicht, von den kommenden Veränderungen zu profitieren.

PHILIPPE DULUC ist CTO Big Data und Security bei Atos. Zu den Geschäftsfeldern des Unternehmens gehören unter anderem Zahlungstransaktionen, Beratungs- und Technologieservices sowie Systemintegration.