Quantencomputing: Entweder-Oder war gestern

Zukunftstechnologie erlaubt enorme Rechenleistung dank paralleler Verarbeitung. Viele Branchen, aber auch das Klima, könnten profitieren
26. Mai 2022
D-Wave quantum annealer in Forschungszentrum Jülich

Eine Katze ist entweder tot oder lebendig, soweit so logisch. Im Gedankenexperiment ‚Schrödingers Katze‘ jedoch beschreibt der Begründer der Quantenmechanik, Erwin Schrödinger, dass für Quantenobjekte, wie Atome und Elektronen, beide Zustände gleichzeitig möglich sind: Die sogenannte ‚Superposition‘ bezeichnet einen quantenmechanischen Zustand der ‚Überlagerung‘. Erst wenn das System mit der Umwelt interagiert, also eine Beobachtung oder Messung stattfindet, kommt es zu einer eindeutigen Festlegung des Zustands: tot oder lebendig. 

Was ein Stück weit nach einer sehr theoretisch-physikalischen Diskussion klingt, könnte sich als Fundament einer digitalen Revolution erweisen. Denn im Gegensatz zu herkömmlichen Rechnern, die Aufgaben nacheinander abarbeiten, sind Quantencomputer in der Lage, sie parallel zu verarbeiten. Damit lassen sich beispielsweise hochkomplexe Simulationen in extremer Geschwindigkeit durchführen: Wofür heutige Höchstleistungscomputer Jahre oder gar Jahrzehnte bräuchten, kommt ein Quantencomputer in Sekunden oder Stunden zu einem Ergebnis. 

Qubits können 1 und 0 sein

„Noch steckt die Technologie in den Kinderschuhen“, sagt Dr. Ing. Susan Wegner, Vice President Artificial Intelligence & Data Analytics bei Lufthansa Industry Solutions, im Gespräch mit den Hamburg News. Die Lufthansa-Tochter hat ihren Hauptsitz in der Metropolregion HamburgDoch Quantencomputing sei weit davon entfernt bloße Science-Fiction zu sein, ist die promovierte Informatikerin und Mathematikerin überzeugt. Erste Anlagen beweisen dies, etwa der IBM Quantum System One in Ehningen (Baden-Württemberg), der mit 27 Qubits arbeitet. Ein Qubit ist die kleinste Rechen- und Informationseinheit eines Quantencomputers, die sich im Gegensatz zu klassischen Bits – 1 oder 0 – in beiden Zuständen sowie in allem dazwischen befinden kann, was die enorme Rechenleistung erklärt. Im Januar ist im nordrhein-westfälischen Jülich der D-Wave Quantenannealer präsentiert worden, der es auf mehr als 5.000 Qubits bringt. „Ein Annealer ist allerdings nur auf ganz bestimmte Aufgaben ausgerichtet und somit in seinem Einsatzbereich begrenzt. Doch die Technologie schreitet schnell voran“, so Wegner. Aktuell sei die Forschung noch stark mit der Fehlerbehebung beschäftigt. Schon minimale Einflüsse, etwa elektrische oder magnetische Felder, bringen die Qubits aus dem Konzept. „Für Unternehmen ist es jedoch entscheidend, schon heute mögliche betriebliche Anwendungen zu identifizieren und sich die nötigen Talente zur Etablierung dieser neuen Technologie zu sichern.“

IBM Quantum System One in Ehningen
© IBM Research
Quantencomputer ‚IBM Quantum System One‘ in Ehningen
Dr. ing. Susan Wegner, Lufthansa Industry Solutions
© Lufthansa Industry Solutions
Dr. Ing. Susan Wegner, Vice President Artificial Intelligence & Data Analytics bei Lufthansa Industry Solutions

Quantencomputing könnte viele Branchen optimieren

Diesen Rat gibt die Expertin Unternehmen nahezu aller Branchen, denn die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig. Vor allem eigne sich Quantencomputing bei klassischen Optimierungsproblemen. „Die Luftfahrt ist ein gutes Beispiel. Flightoptimierung ist ein hochkomplexes Thema: Wann ist das Flugzeug am Terminal, wann die Crew und die Passagiere, wo ist wann das Gepäck oder die Verpflegung? Fällt nur ein Faktor aus der Rechnung – die Crew steht im Stau – bricht die Rechenkette zusammen. Quantencomputer können adaptieren und bringen die Rechnung sofort wieder auf den aktuellen Stand.“ Gleiches gelte für Schiffsrouten oder Lieferketten. Aber auch bei der Simulationen in der Medikamentenentwicklung oder bei hochkomplexen Berechnungen zum Klimawandel werde Quantencomputing zum Einsatz kommen, so Wegner weiter.

Wegner: Die Zukunft ist ‚hybrid‘

Und das auch in Hamburg: Forschende der Universität Hamburg sind federführend beim Bau eines Quantencomputers im Rahmen des Projekts Rymax. 10 Millionen Euro, das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert, erhält die Universität, um in den kommenden fünf Jahren einen Quantencomputer der nächsten Generation zu entwickeln. Mit dem Zentrum für Optische Quantentechnologien (ZOQ) und dem Institut für Laserphysik bietet Hamburg gute Voraussetzungen, die Entwicklung dieser Schlüsseltechnologie maßgeblich voranzutreiben, zumal auch relevante Player aus der Wirtschaft, wie die Otto Group und die Hamburger Hafen und Logistik AG (HHLA) an dem Projekt beteiligt sind.

Aber die ‚Power-Rechner‘ erzeugen auch Probleme. Dank ihrer immensen Rechenleistung werden Quantencomputer richtig gut in der Entschlüsselung von Codes sein, was zu einem massiven Problem im Bereich der Datensicherheit führen kann. Die Lösung beschert die Technologie selbst – mit Quantenkryptographie. „Quantencomputer können sowohl ent- als auch verschlüsseln“, so Wegner. „Darum ist es so wichtig, sich jetzt mit dem Thema zu beschäftigen, um entsprechende Maßnahmen zu ergreifen.“ Wobei unsere Zukunft keineswegs nur von Quantencomputern geprägt sein werde, vielmehr sei die Zukunft ‚hybrid‘, betont Wegner. „Es wird immer noch viele Anwendungen geben, für die unsere klassischen Computer am besten geeignet sind. Doch je komplexer die Aufgabe, desto besser die Ergebnisse des Quantencomputers.“
ys/sb

Lufthansa Industry Solutions

Die Lufthansa-Tochter ist ein Dienstleistungsunternehmen für IT-Beratung und Systemintegration. Ziel ist es, die Kunden bei der digitalen Transformation ihrer Unternehmen zu unterstützen. Die Kundenbasis umfasst sowohl Gesellschaften innerhalb des Lufthansa Konzerns als auch mehr als 300 Unternehmen in unterschiedlichen Branchen. Das Unternehmen mit Hauptsitz in Norderstedt beschäftigt über 2.100 Mitarbeiter*innen an mehreren Niederlassungen in Deutschland, Albanien, der Schweiz und in den USA.