Gemeinsam Quantencomputing in Europa voranbringen

Quantencomputing verspricht, durch hochparallele Datenverarbeitung Probleme bewältigen zu können, die mit der heutigen Rechenleistung kaum lösbar sind. Erste funktionstüchtige Quantencomputer mit über 50 Qubits sind bereits auf dem Markt verfügbar – vornehmlich aus den USA. Auch in Europa wurden erste Initiativen gestartet, einen europäischen Quantencomputer aufzubauen. Um im globalen Wetteifern um die »Quanten Supremacy« am Ball zu bleiben, bedarf es einer europaweiten und interdisziplinären Kooperation. Zu diesem Zweck lud das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF gemeinsam mit dem Fraunhofer-Verbund IUK-Technologie am 23. Januar zum Industrieworkshop »Quantencomputing«.

Rund 100 Teilnehmer aus Forschung, Politik und Industrie nahmen an dem Workshop teil und tauschten ihre Einschätzungen, Angebote und den aktuellen Stand der Technik des Quantencomputings in Europa aus. Es entstand ein reger Dialog zwischen Vertretern großer Unternehmen wie BASF, Volkswagen und Bosch, aber auch innovativen Start-ups der Branche, Wissenschaftlern und Vertretern aus der Politik.

Großes Potenzial des Quantencomputings für viele Branchen

Der Keynote-Speaker Ingolf Wittmann (IBM Deutschland GmbH) zeigte die grundlegenden Vorteile von Quantencomputern auf: Derzeitige Hochleistungsrechensysteme (HPCs) stoßen bei vielen Problemstellungen an ihre physikalischen Grenzen, weil ihre Rechenleistung durch die Anzahl ihrer Bits nur linear skalierbar ist. Als Folge benötigen sie zunehmend mehr Platz und Energie, um mit steigenden Datenmengen umzugehen. Aufgrund der einzigartigen Eigenschaften der Quantentechnologie erhöht sich bei einem Quantencomputer dagegen die Rechenkapazität exponentiell zu seinen Qubits. Damit wäre ein Quantencomputer mit nur 275 Qubits in der Lage, mehr Zustände gleichzeitig zu simulieren, als es Atome im Universum gibt. Dies eröffnet vielversprechende neue Möglichkeiten für die Industrie.

Michael Kühn von BASF sieht beispielsweise einen dringenden Bedarf in der Chemiebranche, die teilweise sehr umfangreichen Strukturen von Molekülen genauer zu simulieren und Veränderungen bei Reaktionen zu beobachten. Auch Branchen wie Logistik und Personenverkehr würden profitieren. Oliver Pfeiffer von der Deutschen Bahn verspricht sich eine bundesweit optimierte Netzplanung, die mit der Rechenpower der heutigen Systeme nur regional möglich sei. Dass man den allgemeinen Verkehrsfluss mittels Quantencomputern optimiert kann, habe man schon im letzten Jahr bei der »Web Summit« Konferenz zeigen können, berichtete Michael Streif von Volkswagen. Dort seien weltweit erstmals Shuttlebusse mittels Quantencomputer erfolgreich und in Echtzeit durch den Stadtverkehr von Lissabon gelotst worden.

Ein komplexes Zusammenspiel von Hardware und Software

Das hochkomplexe Zusammenspiel von Hardware und Software gilt als eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung des Quantencomputers. Dabei gibt es verschiedene Ansätze und Aufbauprinzipien für Qubit-Systeme, wie Vertreter von IQM Quantum Computers und der Universität Konstanz sowie Mainz erläuterten. Das Fraunhofer IAF forscht seit langem an besonders rauscharmer kryogener Elektronik für die Informationsübertragung sowie an Qubits auf Basis von NV-Zentren in Diamant. Letztere hätten, laut Rüdiger Quay, stellvertretender Leiter des IAF, den Vorteil, bei Raumtemperatur zu funktionieren. Dies wäre ein Meilenstein in Richtung alltagstauglichere und energieeffizientere Systeme.

Frank Wilhelm-Mauch von der Universität des Saarlandes betonte, dass das Potenzial des Quantencomputers auch im Hinblick auf den Endnutzer analysiert werden müsse - ein Appell, der sich in mehreren Vorträgen wiederfand. So betonte auch Manfred Hauswirth, Leiter des Fraunhofer FOKUS: »Es braucht nicht nur die passende Soft- und Hardware, um Quantencomputer erfolgreich zu machen. Wir brauchen auch Ingenieure und Softwareentwickler, die speziell in diesem Bereich ausgebildet werden, damit wir Quantencomputer erfolgreich in die Anwendung überführen können.« Konsens bestand auch im Verständnis des Quantencomputings als interdisziplinäres Thema, das internationaler Kooperationen bedarf, um Europa als unabhängigen quantentechnologischen Standort zu etablieren.

Die Zukunft des Quantencomputing in Deutschland

Im September 2019 gaben IBM und die Fraunhofer-Gesellschaft bekannt, im Rahmen einer gemeinsame Initiative den ersten europäischen Quantencomputer an einem deutschen Standort in Betrieb zu nehmen. Die Initiative vereint etablierte Partner aus Forschung und Industrie unter dem Dach eines neuen Kompetenzzentrums, dem Fraunhofer-Center für Quantencomputing. Ziel ist es, die Kompetenzen und Strategien für die Industrie und anwendungsorientierte Verfahren voranzutreiben. Auch wenn aktuelle Quantencomputer-Systeme die derzeitigen Hochleistungsrechner noch nicht ersetzen könnten, zeigen sie trotzdem schon jetzt erhebliche Vorteile, die der Forschung in der EU zugutekommen könnten, erklärte Oliver Ambacher, Leiter des Fraunhofer IAF und Koordinator des Kompetenzzentrums Quantencomputing Baden-Württemberg. »Gerade Deutschland ist aktuell voller Ideen, jetzt heißt es dranbleiben«, appellierte auch Ingolf Wittmann von IBM Deutschland.

Der erste Industrieworkshop zum Thema Quantentechnologie fand im Mai 2019 am Fraunhofer IAF statt. Auch dieses Mal hat sich das Format bewährt, um relevante Akteure zusammenzubringen und als Plattform für neue Ideen und Kooperationen zu nutzen. Quantencomputing sei ein »Moonshot Project«, welches nur gemeinsam zum Erfolg gebracht werden könne, so lautet das Fazit der Workshop-Teilnehmer. Christian Gogolin von Covestro folgerte: »We have just made the first few centimeters of our journey and we don‘t know yet if it will take us to the moon, but it is highly promising«.