Aufbruch in die Quanten-Ära

Schlagzeilen macht die ominöse Quantentechnik ja schon seit geraumer Zeit – wenn auch meist eher solche, die mit einem Fragezeichen versehen sind. Denn die Forschung im Bereich Quantencomputing steckt immer noch in ihren Anfängen. In Deutschland sind erste Adressen aus der Forschungslandschaft mit dem Thema befasst, etwa das Jülich Supercomputing Centre oder das Karlsruher Institut für Technologie. Den Treibstoff für die Forschungsprojekte liefern die enormen Versprechungen, die mit dem Quantencomputing verbunden sind. So sollen die neuartigen Rechner in bestimmten Bereichen in ihrer Leistung heutigen Maschinen um etliche Größenordnungen überlegen sein.

Anwendungen, die in diesem Zusammenhang immer wieder gerne genannt werden, sind die Zerlegung großer Zahlen in ihre Primfaktoren und das Knacken jeglicher Datenverschlüsselung. Auch Optimierungsprobleme sollen zu den Spezialgebieten der Quantenrechner gehören, ebenso wie das Durchsuchen und Sortieren sehr großer Datenmengen. Wobei Letzteres heute daran scheitert, dass die existierenden Quantenrechner aufgrund ihrer rudimentären Hardware einfach keine großen Datenmengen handhaben können und grundlegende Fragen der Technologie und Architektur noch Gegenstand der Forschungen sind. „Es gibt prototypische Anwendungen“, erklärt Kristel Michielsen, Professorin am Jülich Supercomputing Centre. „Das bedeutet, die Probleme, die man damit lösen kann, sind noch sehr klein. Um umfangreichere Probleme zu lösen, müssen die Systeme erst viel größer werden.“

Was genau Quantencomputer ausmacht, ist noch nicht völlig klar. In der Wissenschaft wird darüber gestritten, ob etwa die Maschinen von D-Wave Systems wirklich unter die Definition von Quantenrechnern fallen. „Es ist jedenfalls kein universeller Quantenrechner“, sagt KIT-Professor Wolfgang Wernsdorfer. Nach Auffassung des Wissenschaftlers ließen sich die Rechenaufgaben, mit denen D-Wave brilliert, vielfach auch mit klassischen Computern rechnen – und das sogar effizienter. Klar ist also bisher lediglich, dass eigentlich nichts klar ist. Der vorläufig noch sehr rudimentären Technik stehen einigermaßen fantastische Szenarien künftiger Anwendungen gegenüber, in denen regelmäßig von atemberaubender Performance oder doch wenigstens von der Hoffnung darauf die Rede ist. Auch und gerade die Autoindustrie, nicht zuletzt angetrieben vom Wandel hin zu neuen digitalen Geschäftsmodellen, beschnuppert die Quantentechnik deshalb mit Interesse.

Daimler beispielsweise lotet gegenwärtig Einsatz­mög­lich­keiten und Perspektiven dieser Technik aus. „Wir wollen damit konkreten Fragestellungen der Mobilität der Zukunft nachgehen“, heißt es allerdings noch recht vage bei dem Stuttgarter Automobilhersteller. Einsatzfelder sehen die Schwaben in den Bereichen Verkehrslogistik und Batterietechnik. Auch Volkswagen engagiert sich: Das Unternehmen hat eine Expertentruppe zusammengestellt, um herauszufinden, wie sich Quantencomputing nutzen lässt. Die fünfzehnköpfige Arbeitsgruppe hat – wo sonst – in San Francisco ihre Zelte aufgeschlagen.

Geleitet wird sie von Florian Neukart. Die Aufmerksamkeit des Forschers gilt vor allem vier Themen: zeitkritische und allgemeine Optimierungsprobleme, Simulationen und KI. „Zeitkritische Optimierungsprobleme treten in der Mobilität sehr häufig auf, etwa bei der Verkehrsflussoptimierung“, erklärt Neukart. Natürlich, so der Wissenschaftler, ließen sich solche Probleme auch mit konventioneller Rechentechnik lösen, aber das dauere einfach zu lange. „Immer wenn wir so ein Problem sehen, versuchen wir es mit einem Quantencomputer zu lösen und sehen zu, dass wir es entweder genauer oder schneller lösen können“, führt Neukart weiter aus. Nicht nur im Straßenverkehr ist die Thematik relevant, sondern auch in der Produktion. Etwa wenn es darum geht, eine begrenzt vorhandene Menge an Werkzeugen so zu verteilen, dass sie möglichst optimal genutzt werden können. Alles, was eine Zeitkomponente hat, so Florian Neukart, lasse sich potenziell mit dem Quantencomputer besser, weil schneller berechnen als mit klassischen sequenziellen Rechnerarchitekturen.

Die VW-Gruppe arbeitet aktuell mit D-Wave wie auch mit Google zusammen. Sie kann spezielle Quanten-Software-Libraries nutzen, die die beiden Unternehmen zur Verfügung stellen. Umgekehrt entwickelt auch das Neukart-Team Algorithmen, die dann in den Softwarepool rund um die Quantenrechner einfließen. Die technischen Ansätze von D-Wave und Google sind grundverschieden: Während sich die D-Wave-Maschinen ausschließlich auf Optimierungen spezialisiert haben, arbeitet Google an einer universell einsetzbaren Quantenarchitektur, also an einem wirklich per Software steuerbaren Computer.

Das embryonale Stadium der Technik scheint immer wieder durch: Die Hardware ist selbst oftmals noch Gegenstand der Forschung, räumt Florian Neukart ein. Auch die Software mit ihrer bitweisen Programmierung erinnert eher an die Handhabung von Rechenmaschinen aus den 1940er Jahren denn an einen modernen Computer. Immerhin erwartet Neukart für die nächsten Jahre das Entstehen spezifischer Programmiersprachen. Der Experte ist sich sicher: „Das wird kommen.“

Aus Businesssicht sind die Experimente noch weit von jeder praktischen Nutzung entfernt. „Es gibt noch keine wertstiftenden Anwendungen“, konstatiert Ondrej Burkacky vom Beratungsunternehmen McKinsey. Eine Spielerei sei die Betätigung der Autobauer in diesem eigentlich sachfremden Gebiet aber nicht. Es gebe im Bereich des Autobaus und der Mobilität vielfach Überlegungen zum Einsatz von Quantencomputing. Für die Autobauer könne es sich also als strategisch sinnvoll erweisen, am Puls der Zeit zu bleiben. „Dieses Wissen erwirbt man ja nicht durch Zeitunglesen“, so Burkacky. „Am Tag X wird die Verfügbarkeit von Experten den Ausschlag geben.“