Quantencomputer

Rechnen unter Laborbedingungen

Im Interview beschreibt Dr. Wolfgang Maier von IBM Deutschland, warum es sich bei Quantenrechnern noch um Messeinrichtungen handelt, die unter entsprechenden Laborbedingungen betrieben werden.

Dr. Wolfgang Maier, IBM

Dr. Wolfgang Maier ist Director Hardware Development bei IBM Deutschland Research & Development.

IT-DIRECTOR: Herr Maier, was unterscheidet das Quantencomputing von bisherigen Rechenoperationen?
W. Maier:
Im Unterschied zu den uns bekannten Rechnern arbeiten Quantensysteme nicht auf Basis der Gesetze der klassischen Physik und binärer Transistoren, sondern mit quantenmechanischen Zuständen und Prinzipien, die sich in Quantenbits (Qubits) manifestieren und die neben den Zuständen „0“ und „1“ auch beide Zustände gleichzeitig annehmen können – eine so genannte Superposition.

Die zweite wichtige Eigenschaft ist, dass mehrere Qubits miteinander durch die sogenannte Quantenverschränkung agieren können. Dabei lässt sich der kombinierte Gesamtzustand mehrerer Qubits beschreiben. Dieser Gesamtzustand kann jedoch nicht mehr durch Kombination der Einzelzustände der jeweiligen Qubits dargestellt werden. Anhand dieser beiden Eigenschaften der Quantenphysik, Superposition und Verschränkung, lassen sich Quantencomputer realisieren, die bestimmte Berechnungen um ein Vielfaches schneller als konventionelle Computer durchführen können.

IT-DIRECTOR: Was unterscheidet die für das Quantencomputing nötigen Rechner von herkömmlichen Servern etwa hinsichtlich der Prozessoren, Kühlung oder Energieeffizienz?
W. Maier:
Heutige Implementierungen von Quantenrechnern lassen sich bezüglich der erwähnten Parameter nur sehr schwer mit herkömmlichen Servern vergleichen. Prinzipiell handelt es sich noch um Messeinrichtungen, die unter entsprechenden Laborbedingungen betrieben werden. Da die oben erwähnten Qubits unvorstellbar sensitive Gebilde darstellen, lassen sie sich in der Regel nur bei extremst niedrigen Temperaturen sinnvoll betreiben, ohne ihre quantenmechanischen Eigenschaften zu verlieren. Die dadurch entstehende Energiebilanz wird sich erst dann vernünftig gestalten lassen, wenn durch größere Ensembles von Qubits das komplette Potential dieses Rechenansatzes genutzt werden kann.

IT-DIRECTOR: Wann werden Quantencomputer Ihrer Ansicht nach flächendeckend genutzt werden können?
W. Maier:
Quantencomputer sind derzeit ein vielversprechendes Konzept, das in wenigen Forschungslaboren realisiert werden kann. Auch heute müssen wir noch einige Herausforderungen bei dieser Technologie meistern. Aber durch die Fortschritte, die IBM und andere in der letzten Zeit gemacht haben, wird die Technologie in den nächsten Jahren in verschiedenen Industrien Einzug halten und die bestehenden IT-Systeme ergänzen. Bis zu einem flächendeckenden Einsatz wird aber noch eine ganze Weile vergehen.

IT-DIRECTOR: Marktforscher wie Crisp Research mokieren die noch immer hohe Fehlerrate der neuen Computerklasse. Was ist dran an dieser Einschätzung? Und mit welchen weiteren „Kinderkrankheiten“ haben Quantenrechner noch zu kämpfen?
W. Maier:
Aufgrund der speziellen Eigenschaften von Quantensystemen lassen sich die Rechenvorgänge eines Quantencomputers nicht eindeutig mit denen eines konventionellen Prozessors vergleichen. Das Ergebnis eines Quantencomputers stellt eine Wahrscheinlichkeitsverteilung dar und ist somit automatisch mit einer gewissen Fehlerrate behaftet. Allerdings können diese Fehlerraten zum Beispiel durch Redundanzbetrachtungen kompensiert werden. Mit Sicherheit ist es noch ein weiter Weg, bis alle Herausforderungen überwunden sind, dennoch sind gerade die zuletzt erzielten Fortschritte beachtenswert.

IT-DIRECTOR: Welche prädestinierten Einsatzgebiete gibt es aktuell oder in naher Zukunft für Quantenrechner?
W. Maier:
Wir haben Ende letzten Jahres das Q Network mit zwölf weltweit führenden Unternehmen aus verschiedenen Branchen, Wissenschaftsinstitutionen sowie nationalen Forschungslabors gegründet. Jeder einzelne der Partner wird praktische Anwendungen der Quantentechnologie auf unterschiedlichen Gebieten erforschen, die mit ihr schneller oder effizienter gelöst werden können als mit einem klassischen Computer. Das reicht von der Anwendung der Quantentechnologie im Bereich Handelsstrategie, Portfolio-Optimierung, Asset Pricing, Abrechnungen und Risikoanalysen bis hin zu Materialwissenschaften, die Lösung von Optimierungsproblemen, Maschinenlernen und vieles mehr.

IT-DIRECTOR: Quantencomputer könnten heutige asymmetrische Verschlüsselungsalgorithmen wie etwa RSA knacken. Inwieweit wird parallel zum Quantencomputing bereits an darauf basierenden Schutzmaßnahmen (vgl. Quantenkryptographie) geforscht?
W. Maier:
Richtig ist, dass die Cyber-Angriffe von Jahr zu Jahr zunehmen und immer raffinierter werden. Es gibt ja auch bereits Anzeichen für KI-basierte Attacken. Bis zum Einsatz von Quantentechnologien in diesem Kontext wird es aber noch dauern. Nichtsdestotrotz arbeiten unsere Forschungskollegen an Ansätzen, um am Tag x eine entsprechende Antwort zu haben. Ein Beispiel ist die Gitterkryptographie – eine Architektur, die Daten in komplexen algebraischen Strukturen verbergen kann.

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