Quantencomputing ist derzeit in aller Munde – es soll sozusagen der Quantensprung in der IT sein. Nun gaben kürzlich das Forschungszentrum Jülich (FZ Jülich) sowie Google bekannt, in der Erforschung von Quantencomputern zusammenzuarbeiten – wir berichteten. Grund genug für uns, noch einmal genauer nachzufragen.

Prof. Dr. Kristel Michielsen, Group leader „Quantum Information Processing“ & Member of the Division „Computational Science“, FZ Jülich,

Prof. Dr. Dr. Thomas Lippert, Director of the Institute for Advanced Simulation & Head of Jülich Supercomputing Centre, FZ Jülich &

Dr. Markus Hoffmann, Global Quantum Computing Practice Lead, Google Cloud

im Interview mit der Innovation Origins.

Können Sie für unsere Leser bitte einmal kurz den Unterschied zwischen Supercomputern und Quantencomputern erklären?

Prof. Dr. Dr. Thomas Lippert: Heutige Supercomputer, wie z.B. unser JUWELS am Forschungszentrum Jülich, setzen sich aus vielen Rechenknoten zusammen, die so vernetzt sind, dass sie gemeinsam an einem Problem arbeiten können. Aus dieser Parallelität beziehen sie ihre enorme Leistung. JUWELS z.B. könnte es mit bis zu 60.000 Laptops aufnehmen, wenn diese entsprechend verbunden wären. (…) Quantencomputer beziehen ihre hohe Leistung aus einer völlig anderen Art von Parallelität: (…)

Während die Leistung der klassischen Supercomputer im Wesentlichen proportional zur Anzahl der zusammengeschalteten CPUs wächst, hofft man, dass die Leistung des Quantencomputers doppelt so groß wird, wenn man ein weiteres Qubit hinzunimmt.

„Man spricht von einem exponentiellen Leistungszuwachs. Genau das macht den Quantencomputer so besonders.“

Ein schönes Beispiel ist die Wegplanung eines Handelsvertreters [Anm.: der sich beim Ansteuern mehrerer Orte insgesamt den kürzesten Weg berechnen möchte]: Nimmt man eine weitere Station hinzu, steigt der Rechenaufwand etwa um einen Faktor zwei, um den optimalen Weg zu finden.

Das Beispiel lässt sich ganz leicht auf das Gebiet der Verkehrsoptimierung übertragen. Die Optimierung der Routenplanung von 10.000 Taxis in Peking ist ein solches, offenbar noch weitaus größeres Problem, wie es von Volkswagen mit Quantenrechnern angegangen wurde. Oder denken Sie an die Optimierung der Luftverkehrswege. Wir glauben, dass wir diese Technologien sehr bald auch in unserem Alltag sehen werden, denken Sie an Warenflüsse oder die optimale Positionierung von Produkten im Supermarkt – Bedarf an Optimierung ist überall.

Im Zusammenhang mit Quantencomputern wird von Qubits/Quantenbits gesprochen – Wie unterscheiden diese sich von Bits?

Prof. Dr. Kristel Michielsen: Bits können ja bekanntlich zwei Werte annehmen, z.B. 0 und 1. Ein Element eines klassischen Speichers ist z.B. ein solches Bit. Diese Bits werden mit Hilfe von Transistoren verarbeitet.

Ähnlich sind Qubits die elementare Speicherelemente im Quantencomputer. Qubits können je nach technologischer Ausführung ebenfalls manipuliert werden, z.B. über Mikrowellen. Mit Hilfe der Wechselwirkung zwischen den Qubits werden sogenannte Quantengatter  [Anm.: spezielles Quanten-Berechnungssystem] aufgebaut – so wie mit Transistoren klassische Gatter gebildet werden.

Diese Gatter sind im klassischen Rechner die logischen Schaltelemente, auf dem Quantencomputer verarbeiten sie die Information, die wir mit dem Begriff Quantenzustand beschreiben und wir hoffen, dass sie das nach den Gesetzen der Quantenmechanik tun.

Die Summe solcher programmierbaren Schritte bezeichnen wir als Algorithmus oder eben als Quantenalgorithmus.

Während klassische Bits nur die Werte 0 und 1 annehmen können, können Quantenbits, die man oft mit kleinen Pfeilen symbolisiert, alle denkbaren Stellungen der Pfeile annehmen [Anm.: z.B. kann die Spitze dieses Pfeils auf alle Punkte auf einer Einheitskugel gerichtet sein]. Die Konfiguration der Stellungen mehrere Qubits entspricht dann den oben angesprochenen überlagerten Zuständen. Erst wenn man diese misst, fallen die einzelnen Qubits wieder auf die Werte 0 und 1 zurück, das entspricht der Pfeilstellung Richtung Südpol oder Nordpol der Kugel. An diesen Pfeilstellungen kann man dann das Ergebnis des Rechenprozesses ablesen. [Anm.: Denn Qubits nehmen erst, wenn man sie messen will, einen bestimmten Zustand/Ort an. Man stelle sich eine auf einem Tisch liegende Billardkugel vor, die per anderer Billardkugel gemessen werden soll. Sobald die rollende Kugel auf die zu messende Kugel trifft, ändert diese mit dem Aufprall den Standort… Doch die Physiker des FZ Jülich stehen solch einfachen Vergleichen sehr kritisch gegenüber]:

„Oft versucht man, die angesprochenen Überlagerungen und Vorgänge mit klassischen Analogien zu erklären. Wir denken, das ist wohl mehr verwirrend als aufschlussreich, denn wenn ein Quantenzustand oder eine Quantenrechnung auf eine solche Weise darstellbar wäre, könnte man sie ja einfach mit herkömmlichen Rechnern durchführen“, so Prof. Dr. Kristel Michielsen @Forschungszentrum Jülich / Ralf-Uwe Limbach

Es gibt einige Hersteller, die ebenfalls an Quantencomputern forschen – warum haben Sie sich bezüglich einer Zusammenarbeit für Google entschieden?

Prof. Dr. Dr. Thomas Lippert: Jülich bindet sich in dem Bereich des Quantencomputing keineswegs an einen Partner allein. Google ist der erste von hoffentlich mehreren weiteren Partnern. JUNIQ, die Jülich Unified Infrastructure for Quantum-Computing, sieht die Zusammenarbeit mit allen wichtigen Firmen in diesem Bereich vor. Ein Beispiel ist die kanadische Firma D-Wave Systems. Weitere sind geplant. Ganz wichtig ist uns die Mitarbeit im europäischen Flagship-Projekt zu Quantencomputing, wo wir am Teilprojekt OpenSuperQ beteiligt sind und den Betrieb des europäischen Prototypen übernehmen wollen.

Die Vereinbarung mit Google ist eine Partnerschaft, welche die Entwicklung und den praktischen Einsatz von Quantencomputern fördert. Google ist führend im Bau von so genannten Gate-level-Quantencomputern [Anm.: Google stellte 2018 den mit 72 Qubits schnellsten Prozessor der Welt vor]. Wir und unsere Partner und Nutzer im Bereich Quantencomputing werden Zugang zu den Quantenmaschinen von Google bekommen und werden dabei in Fragen der Anwendungen der Software und Forschung zu Algorithmen unterstützt.

Herr Hoffmann, es gibt viele Universitäten die im Bereich Quantencomputing forschen – was war für Google der Grund gerade Jülich herauszusuchen und z.B. nicht in den USA mit einer Uni zusammenzuarbeiten?

Dr. Markus Hoffmann: Die Google Quantum AI-Gruppe unterhält mehrere Kooperationen und Partnerschaften mit akademischen Institutionen und Forschungslabors weltweit. Ein Beispiel dafür ist die Prosperity-Partnerschaft in Großbritannien mit der University of Bristol und UCL.

Wir hatten über viele Jahre hinweg eine langjährige Zusammenarbeit mit den Jülicher Forschern, so dass die Formalisierung in einer Partnerschaft ein logischer Schritt war.

Läuft die deutsch-amerikanische Kooperation nicht gegen das im letzten Jahr ins Leben gerufene, teuer geförderte EU-Forschungsprojekt Quantum Flagship, das zum Ziel hat, den europäischen Markt auf diesem Gebiet zu stärken?

Prof. Dr. Kristel Michielsen: Keineswegs. Jülich ist Partner im europäischen Flagship-Projekt für Quantencomputing, wo wir am Teilprojekt OpenSuperQ beteiligt sind und den Betrieb des europäischen Prototypen langfristig übernehmen wollen. Wir bekommen von Google große Unterstützung in Fragen der Anwendungen der Software und Forschung zu Algorithmen für Gate-level-Quantencomputer. Das hilft uns sehr im Projekt OpenSuperQ. Derzeit fließt übrigens weit mehr IP aus den USA nach Europa als umgekehrt.

Der Standort des ersten, durch das Forschungsprojekt gebauten, europäischen Quantencomputers soll – wie Sie gerade darstellten ‒ Jülich sein. Wann dürfen mit der Fertigstellung rechnen?

Prof. Dr. Dr. Thomas Lippert: OpenSuperQ, das Teilprojekt, das den Quantencomputer mit supraleitenden Qubits im EU Quantum Flagship entwickelt, möchte bis 2021 einen Prototypen mit 50 bis 100 Qubits bauen [Anm.: zum Vergleich: 45 Qubits entsprechen in etwa der Speichergröße des größten aktuellen, herkömmlichen Supercomputers und 50 Qubits stellen, so vermutet man, die Überlegenheit bei Berechnungen dar]. Dieser soll dann in JUNIQ integriert und den europäischen Nutzern zugänglich gemacht werden.

Ob Supraleiter, per Laser befeuerte Ionen oder Photonen – es gibt unterschiedliche Technologien, die von verschiedenen Herstellern bevorzugt werden. Google steht mit seinem Bristlecane für Supraleiter. Inwieweit werden Sie auch an alternativen Technologien forschen?

Prof. Dr. Kristel Michielsen: In Jülich wird Forschung an supraleitenden, halbleitenden und topologischen Qubits durchgeführt. Weitere Technologien sind in der Diskussion, dies wird sich in den nächsten Monaten entscheiden.

Können Sie uns bitte einige Einsatzbereiche der in Jülich – und hier insbesondere auch der in Kooperation mit Google – erforschten Quantencomputer nennen?

Prof. Dr. Kristel Michielsen: Anwendungsbereiche finden sich vor allem dort, wo die Optimierung eine wichtige Rolle spielt, und insbesondere, wo Optimierungsprobleme so komplex sind, dass auch Supercomputer nicht weiter kommen – und das sind sehr viele Bereiche, zum Beispiel im Arzneimitteldesign, in der Produktionsplannung, im Handel, Verkehr, Luftfahrt, etc.
Quantumcomputer, betrieben zusammen mit Supercomputern im Hybridmodus, können wahrscheinlich zu einer weit besseren Rechen- und Energieeffizienz kommen als Supercomputer allein. Weitere wichtige Einsatzgebiete finden sich im Bereich der Simulation von Quantensystemen. Gerade da sahen die Gründerväter der Technologie, wie Richard Feynman, die aussichtsreichsten Einsatzmöglichkeiten.

Wie sehen Ihre Ziele aus: Wann soll der erste Quantencomputer markttauglich werden bzw. was sind Ihre Zwischenziele?

Prof. Dr. Kristel Michielsen: Zukunftsprognosen zu machen ist immer sehr schwierig. Sicherlich werden wir nicht allzubald einen eigenen Quantencomputer zu Hause betreiben können. Quantencomputer sind komplexe Gebilde und werden im Data Centre stehen, wo sie zusammen mit Supercomputern im Hybridmodus betrieben werden, um beste Effizienz zu erreichen. Das ist unser Ziel am Jülich Supercomputing Centre.

Einige Quantencomputer sind auf dem Markt. Zum Beispiel bietet IBM Kunden bereits Fernzugriff auf Gate-level Quantencomputer und D-Wave Systems verkauft seine Quantenannealer [Anm.: Quantencomputer zur Berechnung von Optimierungsproblemen].

Ein Quantencomputer in den falschen Händen könnte die IT-Sicherheit gefährden – inwieweit binden Sie dieses Thema in Ihre Forschungsarbeiten ein?

Prof. Dr. Dr. Thomas Lippert: Dann ist es aber doch ganz besonders wichtig, wenn wir uns in Jülich mit solchen Systemen auskennen und diese en detail studieren. Man muss immer einen Schritt weiter sein, als die Übeltäter. Wir denken, bei uns sind die Quantenrechner in den richtigen Händen. Und IT-Sicherheit ist für uns natürlich immer von größter Bedeutung, auch auf unserem Supercomputer. Cybersicherheit ist ein wichtiges Forschungsgebiet mehrerer unserer Partnerinstitute innerhalb der Helmholtz-Gemeinschaft.

Was empfehlen Sie derzeit den verschiedenen Unternehmen – sollen diese sich schon mal mit dem Thema Quantencomputer und neue kryptische Verfahren beschäftigen und sich evtl. auf den nächsten „Quantensprung“ in der IT vorbereiten?

Prof. Dr. Kristel Michielsen: Ja, die Unternehmen müssen sich so schnell wie möglich auf den Einsatz von Quantencomputern zur Lösung spezifischer numerischer Probleme vorbereiten. Die Konkurenz schläft nicht. So findet Quantum Computing zunehmend Interesse bei Industrie- und Wissenschaftsgruppen, die High-Performance-Computing (HPC) für ihre Anwendungen einsetzen. Diese Pilotanwender des Quantencomputing sind in erster Linie daran interessiert zu testen, ob die verfügbaren Quantencomputertechnologien heute oder in absehbarer Zeit zur Lösung der für sie relevanten Probleme geeignet sind. In JUNIQ haben wir das Ziel, diese industriellen Benutzer zu unterstützen. Ein weiteres wichtiges Ziel ist es, Doktoranden, Doktorandinnen und Unternehmensmitarbeiter(innen) im Bereich Quantencomputing auszubilden.

Und zu guter Letzt: Was ist Ihre Vision? Inwieweit werden Quantencomputer unser privates Leben im Bereich Computing revolutionieren?

Prof. Dr. Dr. Thomas Lippert: Wie bereits erwähnt, eine erste praktische Anwendung könnte die Verkehrsoptimierung ganzer Städte für autonomes Fahren sein, wie dies derzeit von Volkswagen mit Erfolg erforscht wird. Weitere Beispiele sind die dynamische Optimierung von Flugplänen oder die Auswertung von Satellitendaten, eine Domäne des Deutschen Zentrums für Luft und Raumfahrt. In Jülich sind wir davon überzeugt, dass Quantencomputing eine der vielversprechendsten Zukunftstechnologien im Bereich der Computersimulation, der Künstlichen Intelligenz und der industriellen Optimierung ist. Wir betreiben mit Nachdruck die Integration dieser Technologie in unsere modulare Supercomputer-Umgebung.

Falls das Thema Quantencomputing Sie nun neugierig gemacht hat: Eine schöne Übersicht über das Thema Quantencomputer finden Sie hier oder auch hier.

Eine Zusammenstellung unserer Artikel über das Thema Quantenphysik ist hier.