Innovation: Wie Quantencomputer die Wirtschaft verändern könnten

Nichts geht heute mehr ohne Computer. Ohne Server, Internet und Rechner kann keine Firma mehr arbeiten. Datenleitungen gehören zur kritischen Infrastruktur. Auch privat hat so gut wie jeder zumindest ein Smartphone, viele dazu noch ein Tablet und einen PC oder ein Laptop. Kurz: Die Informationstechnologie hat unser Leben in den vergangenen Jahrzehnten so nachhaltig verändert wie wohl keine andere Erfindung. Doch die nächste Revolution steht schon in den Startlöchern.

Mit Quantencomputern sollen neue Materialien entwickelt werden

Quantencomputer sollen mit ihrer unvorstellbaren Rechenleistung einmal helfen, Probleme zu lösen, an denen bislang sogar die leistungsfähigsten Superrechner scheitern. In der Chemie- und Pharmaindustrie könnten Quantenrechner etwa helfen, die Struktur und Geometrie neuer Moleküle vorherzusagen und so die Entwicklung neuer Materialien, zum Beispiel für Batterien, oder Medikamente ermöglichen.

Schon heute werden dabei Prozesse an Großrechnern simuliert, bevor im Labor gearbeitet wird, erklärte jüngst bei einer Diskussionsveranstaltung des Wirtschaftsbeirats Bayern Michael Marthaler, Chef und Gründer des Unternehmens HQS Quantum Simulations.

Die Forschung manipuliert immer kleinere Teilchen

Marthaler arbeitet mit Unternehmen aus der Chemieindustrie daran, solche Simulationen künftig auch auf Quantenrechnern durchführen zu können. Selbst modernste Hochleistungsrechner genügten nämlich den Anforderungen nicht mehr. Sobald auf der Ebene von Atomen geforscht werde, bekämen die Gesetze der Quantenmechanik eine viel größere Bedeutung. Und diese seien eben nur mit Quantenrechnern wirklich zu simulieren.

Mit Quantentechnologie könnten auch neue sichere Verschlüsselungstechnologien möglich werden. Gleichzeitig dürften damit aber ziemlich alle aktuellen Verschlüsselungen geknackt werden können. Von der Krypto-Dämmerung war bei der gleichen Veranstaltung zu hören: Experten gehen davon aus, dass Geheimdienste rund um die Welt bereits daran arbeiten, sich so viele Daten wie möglich zu sichern, in der Hoffnung, sie in einigen Jahren entziffern zu können.

Die Finanzindustrie ist ebenfalls ein möglicher künftiger Nutzer der Quantentechnologie. Mit ihr könnten aus immensen Datenbeständen Anomalien oder seltsames Verhalten herausgelesen und so eventuell sogar Finanzkriminalität aufgedeckt werden. In der Logistik könnten Routen optimiert und Kosten gespart werden und sogar der Wetterbericht könnte genauer werden. Aber auch Militärs hoffen auf autonome Waffensysteme dank Quantentechnologie.

Bayern ist bei der Quantenforschung an der Weltspitze dabei

Bislang und auf absehbare Zeit ist all dies jedoch noch Zukunftsmusik. Damit das nicht mehr allzu lange so bleibt, wird weltweit mit großem Einsatz daran geforscht. Im Spitzenbereich dabei ist Bayern. Die Staatsregierung fördert im Rahmen ihrer Hightech-Strategie allein den Verein Munich Quantum Valley, der alle wichtigen Unternehmen und Forschungseinrichtungen zum Thema vereint, mit 300 Millionen Euro.

Einen wichtigen Etappenerfolg kann der Freistaat bereits verbuchen. Anfang Oktober wurde bekannt, dass das Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) in Garching, wo bereits jetzt ein konventioneller Hochleistungsrechner und ein Quantencomputer stehen, einen von sechs europäischen Quantencomputern erhält.

Was damit in Garching künftig gemacht wird, erklärt LRZ-Direktor Dieter Kranzlmüller im Gespräch mit unserer Redaktion so: "Wir wollen relativ schnell Nutzern Zugang zu diesen Systemen verschaffen." Die künftigen Quantencomputer haben noch viele technische Hürden zu überwinden, bis sie wirklich praktische Aufgaben lösen können. Es ist zum Beispiel längst nicht entschieden, welches von mindestens drei rivalisierenden Systemen sich durchsetzt. Aber selbst wenn das alles gelöst wäre, könnte man auf einem Quantencomputer nicht einfach so arbeiten wie auf einem normalen Supercomputer.

Supercomputer und Quantencomputer sollen zusammenarbeiten

Die Aufgabe am LRZ besteht darin, Software zu entwickeln, praktische Probleme in Mathematik umzusetzen und in eine Sprache zu übersetzen, mit der ein Quantencomputer arbeiten kann. Vor allem aber will sich das LRZ darauf konzentrieren, die Verknüpfung von Quantencomputern und konventionellen Supercomputern voranzubringen. "Ein Quantencomputer kann theoretisch alles, was ein herkömmlicher Computer auch kann", sagt Kranzlmüller.

"Aber bei einem Großteil der Anwendungen wird das herkömmliche System auf absehbare Zeit überlegen und auch günstiger sein." Im Idealfall soll der Hochleistungsrechner den Quantencomputer selbstständig in seine Rechenarbeit einbinden, und zwar nur für die Aufgaben, bei denen das neue System überlegen ist. So soll die geballte Rechenkraft den größten Nutzen entfalten.

Um zu verstehen, wie ein Quantenrechner funktioniert, muss man zwei physikalische Prinzipien kennen, die Quantenverschränkung und das Superpositionsprinzip. In einem klassischen Computer sind Bits die kleinste Informationseinheit. Die Zahl der Bits hat sich in den vergangenen Jahren immer weiter erhöht. Was sich nicht geändert hat, ist das Funktionsprinzip: Jedes Bit kann nur einen von zwei Zuständen annehmen, 1 oder 0. Quantencomputer rechnen mittels Qubits. Das sind kleinste Teile – Atome, Ionen oder Elektronen –, die zur gleichen Zeit beide Zustände annehmen können.

Quantenmechanik widerspricht unserer Alltagserfahrung

Jim Clarke, der Leiter der Quantencomputer-Entwicklung bei Intel, erklärt dies in einem Video auf der Webseite des Unternehmens ganz plastisch anhand einer Münze. Sie kann entweder Kopf oder Zahl anzeigen, also 0 oder 1 wie bei einem klassischen Rechner. Bei einem Qubit dreht sich die Münze quasi rasend schnell um sich selbst und zeigt somit zu jeder Zeit beide Zustände an. Das macht die Rechner so viel leistungsfähiger.

Diese Qubits sind in einem Quantencomputer miteinander verbunden, also verschränkt. Wenn man ein Qubit verändert, ändert sich gleichzeitig das mit ihm verschränkte, egal wie weit es räumlich von ihm entfernt ist. Man kann sich das vorstellen wie bei einem klassischen Hütchenspiel mit nur zwei Hütchen: Hebt man ein Hütchen an, kennt man sofort auch das Ergebnis beim Anheben des zweiten Hütchens – Erbse da oder nicht da. Nur dass bei der Quantenverschränkung die Erbse, bildlich gesprochen, erst beim Anheben eines Hütchens entscheidet, unter welchem sie auftaucht.

Mit jedem Qubit verdoppelt sich die Anzahl der Informationen, die im System gespeichert werden kann. Schon mit ein paar Dutzend Qubits sprengen Quantencomputer die Speicherfähigkeit der leistungsfähigsten klassischen Computer. In Kombination mit der Verschränkung, die ein Rechnen auf all diesen Zuständen gleichzeitig ermöglicht, wird daraus ein ziemlich leistungsfähiges System, so erklärt es der Chiphersteller Infineon.

Bis die Versprechungen Realität werden, dürfte es noch dauern

Der Aufwand, der dafür getrieben werden muss, ist enorm. Zum Beispiel müssen die bisher existierenden Quantencomputer abgeschirmt von allen Außeneinflüssen bei extrem tiefen Temperaturen betrieben werden. LRZ-Direktor Kranzlmüller warnt daher auch vor übertriebenen Erwartungen: "Wir sind mit der Technologie an einem Zeitpunkt, an dem wir überzeugt sind, dass ein Durchbruch bevorsteht. Wann der kommt, ist offen, das kann morgen sein oder in fünf Jahren."

Bis Quantencomputer normale Computer ersetzen können, sei er bestimmt schon in Rente. Aber: "Der nächste große Quantenexperte studiert vielleicht schon heute in München, Augsburg oder anderswo."