Wenn auf mich etwas in der aktuellen Forschung wie Science Fiction wirkt, dann sind es Quantencomputer. Die sehen nicht nur wie etwas aus, was direkt aus einem Science Fiction Film kommt, sie können auch Probleme lösen und Dinge berechnen, die für klassische Computer und sogar für aktuelle Supercomputer unmöglich wären.
Wie weit die Forschung ist und welche Folgen der Einsatz von Quantencomputern haben kann, darum geht es in dieser Folge. Mein Name ist Wieland Mikulajczyk. Gut, dass ihr dabei seid. Das Forschungsquartett – Wissenschaft bei detektor.fm, in Kooperation mit dem Forschungszentrum Jülich.
Quantencomputer und ihre Möglichkeiten
Quantencomputer gelten als die Rechenmaschinen der Zukunft, die Probleme lösen könnten, an denen heutige Superrechner scheitern. Wir befinden uns gerade in der Phase zwischen Laborexperiment und ersten praktischen Anwendungen. Zu Gast in dieser Folge ist Prof. Frank Wilhelm Mauch, Director des Institute for Quantum Computing Analytics am Forschungszentrum Jülich. Mit ihm spreche ich über den aktuellen Stand der Forschung und die Frage, wann diese Technologie unseren Alltag erreicht.
Herr Prof. Wilhelm Mauch, herzlich willkommen im Forschungsquartett. Ich freue mich, dass ich hier sein darf, Herr Mikulajczyk. Herr Prof. Wilhelm Mauch, Quantencomputer klingen jetzt schon sehr nach Science Fiction und Superfuture. Immer wenn in irgendeinem Science Fiction Film es Magie sein soll, aber nicht Magie ist, dann soll die Quantenebene das lösen.
Funktionsweise von Quantencomputern
Können Sie mir als Laien noch einmal kurz erklären, was Quantencomputer überhaupt sind und wie die funktionieren? Also ganz banal könnte man sagen, dass die Information in Quantencomputern nicht nur in Form von klassischen Daten, sondern in Form von Quantenzuständen gespeichert wird.
Was bedeutet, dass wir nicht nur Binärzahlen dort haben können, sondern auch sogenannte Überlagerungen von Binärzahlen. Das bedeutet, dass ein Register mehrere Binärzahlen mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit gleichzeitig hat und dass dann verschiedene Rechenwege überlagert parallel ablaufen können. Das ist so ein bisschen die abstrakte Antwort. Deshalb sind die auch so schnell. Die haben die Parallelität eingebaut. Da muss ich keine vielen Prozessoren kaufen.
Praktisch stehen wir vor der Herausforderung, eine Maschine zu bauen, die einerseits quantenmechanisch ist und bleibt, die also nicht der Tendenz unserer Alltagswelt folgt, von alleine mit der Zeit klassisch zu werden. Die klassische Physik und die klassische Informatik sind immer Spezialfälle der Quantenwelt. Gleichzeitig muss ich die aber noch so offen haben, dass ich mit denen arbeiten kann.
In der Hardware gibt es verschiedene Lösungen, entweder basierend darauf, dass ich einzelne Atome nehme, also kleine Quantenobjekte, und die möglichst gut steuere, oder ich nehme nanoelektronische Schaltkreise, oftmals aus Supraleitern, und bringe die dazu, sich quantenmechanisch zu verhalten. Wenn Sie einen angucken, sehen Sie entweder eine große Vakuumkammer oder eine große Kältemaschine, die dazu da ist, die zerbrechliche Quanteninformation von der Umgebung wegzuhalten.
Fehlertoleranz von Qubits
Sie koordinieren jetzt das Großprojekt QSolid, das sich speziell der Fehlertoleranz von Qubits widmet. Als ich das gelesen hatte, musste ich erstmal nachschlagen, dass Qubits die kleinste Recheneinheit der Quanteninformatik sind. Diese Qubits sind leider fehleranfällig. Warum?
Die Quantenbits sind eigentlich aus drei Gründen fehleranfällig. Das eine ist eben die Tendenz unserer Welt, über die Zeit klassisch zu werden, die sogenannte Dekohärenz. Wenn ich ein Quantensystem supergut isoliere, zum Beispiel die Neutrinos der kosmischen Strahlung, die einfach so durch den Weltraum rauschen, dann macht mir das nichts. Aber wenn ich das Ding greifbar haben möchte, dann werden die mit der Zeit klassisch.
Ihre Umgebung ist klassisch, der Stuhl, auf dem Sie sitzen, ist nicht an zwei Orten gleichzeitig, sondern an einem. Das wird immer passieren, das wird uns lange begleiten. Dagegen müssen wir ankämpfen. Das ist eine Fehlerquelle.
Die zweite Fehlerquelle ist, wir nutzen aus, dass Quantenobjekte sich nicht nur wie Teilchen verhalten, sondern auch ein bisschen wie so eine Welle. Und so eine Welle ist was Analoges. Das heißt, die eine Ausgabe in Quantencomputern ist zwar digital, aber während der rechnet, ist der analog. Und alles, was analog ist, ist ungenau.
Sie können niemals einen Wert mit unendlicher Präzision einstellen. Und er verstellt sich, wenn sich die Temperatur ändert, wenn irgendwas schwankt im Raum. So wie Sie ein Musikinstrument stimmen müssen, müssen Sie dann auf Ihrem Quantencomputer nachsteuern, weil der langsam anfängt, Fehler zu machen.
Und das dritte ist banal. Und das, was wir einfachst in den Griff bekommen. Die Quantentechnologie ist natürlich noch sehr neu. Das heißt, wir haben sicherlich auch noch keine optimalen Lösungen gefunden, die die Quanteninformation so gut schätzen, wie es uns die ersten beiden Einschränkungen erlauben.
Erste Anwendungen von Quantencomputern
Also Quantencomputer sollen ja alles viel schneller und überhaupt gleichzeitig, wie Sie gerade gesagt haben, berechnen können. Ist so das Versprechen in der Theorie. Wo werden wir denn die ersten echten Quantenvorteile sehen? Gibt es schon Anwendungen?
Also ich würde mich ein bisschen davon abgrenzen, dass Sie wirklich alles schneller machen. Sie machen Dinge schneller, wo klassische Hypercomputer Probleme haben und wo es einen Rechenschritt gibt, in dem man mal viel gleichzeitig probieren muss. Die erste Anwendung, mit der wir rechnen, ist vermutlich in der Analyse und Entwicklung von Prozessen in der theoretischen Chemie und in der Materialentwicklung.
Der eine Grund ist, dass die Schwierigkeit bei der theoretischen Chemie daran liegt, dass die molekulare Bindung, die Striche, die man zwischen Atomen im Chemieunterricht malt, das ist schon selber ein Quanteneffekt. Das heißt, das passt gut zu Quantencomputern. Das zweite ist, die Quantencomputer würden dann als Forschungswerkzeug starten.
Das heißt, mit der Empfindlichkeit und der am Anfang wahrscheinlich suboptimalen Benutzungsfreundlichkeit kann man sich im Forschungswerkzeug noch eher abfinden als was für den Alltagsgebrauch oder was in der Echtzeit immer laufen muss. Auf längere Zeit sehen wir Aufgaben in der Optimierung. Es gibt auch Aufgaben in der Kryptoanalyse und verschiedenen KI-Kontexten, aber auch in anderen Simulationen.
Also wenn ich jetzt nicht Moleküle simuliere, sondern aufwändige Simulationen, zum Beispiel für den Maschinenbau mache, dann werden wir sicherlich so in der zweiten Reihe nach der Materialforschung Anwendungen sehen.
Kryptografie und Quantencomputer
Sie haben gerade schon die Kryptografie angesprochen. Das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik, das BSI, das beobachtet ja den Fortschritt schon ziemlich genau, denn Quantencomputer sollen bald unsere heute genutzte Verschlüsselung knacken können. Da geistert die Zahl von circa 15 Jahren durch einige Berichte. Ist das wirklich realistisch oder sind wir dann durch neue Verschlüsselungen vielleicht immer noch gut geschützt?
Also die Berichte des BSI schätze ich sehr, weil ich war der Projektleiter bei der Erstellung dieser Berichte. Und zu der Zahl ist erstmal zu sagen, die ist natürlich unsicherheitsbehaftet. Sie ist aber nicht die kürzeste Zahl, die man sich denken kann. Es könnte Durchbrüche geben, mit denen es noch schneller geht. Es könnte Verzögerungen geben, weil man dann noch Hindernisse hat.
Unsere aktuelle asymmetrische Verschlüsselung, die es uns erlaubt, mit unserer Bank oder mit anderen über HTTPS sicher zu kommunizieren, obwohl wir die nie vorher getroffen haben, die wäre dadurch tatsächlich gefährdet. Es ist für einen Quantencomputer auch eine anspruchsvolle Aufgabe, deshalb die längere Zeit.
Gleichzeitig werden aber Methoden entwickelt, die gegen Quantenangriffe sicher sind. Und das BSI arbeitet daran, die umzustellen. Das sind einerseits neue kryptographische Verfahren, wo es keinen Quantenangriff gibt, die aber immer noch dadurch gesichert sind, dass die Rechnung, die ich zum Entschlüsseln machen muss, sehr kompliziert ist.
Parallel dazu wird Quantenkryptographie entwickelt. Da ist die Sicherheit durch ein ganz anderes Prinzip gewährleistet, nämlich dadurch, dass, wenn ich mit Quanten kommuniziere, die Lauscherin immer entdeckt wird. Diese Umstellung ist halbwegs im Plan, aber man muss natürlich aufpassen für die großen Staatsgeheimnisse.
Es gibt die sogenannte Store Now, Decrypt Later Attacke. Also wenn wir jetzt etwas kommunizieren, was in 15, 20 Jahren noch interessant ist, dann sollten wir schauen, dass wir uns nicht allein auf die aktuelle Kryptographie verlassen.
Quantencomputer in der Praxis
Und wir wissen ja, es gibt Gerichtsakten in Deutschland, die vom NSU-Prozess, die angeblich für 120 Jahre geheim gehalten werden. Es gibt das Projekt Munich mit Q hinten und Munich SC. Dort soll ein Quantenrechner über eine Cloud-Plattform für Wissenschaft und Industrie zugänglich gemacht werden.
Ab wann kann ich denn so ganz privat Rechenzeit auf einem Quantendemonstrator buchen? Oder noch besser, wann steht denn der Quantencomputer unter meinem Schreibtisch?
Also Munich SC und auch QSolid sind Schwerpunktprojekte. Wir betonen ein bisschen unsere Schwerpunkte, aber auch die möchten die Fehler kleiner machen. Auch wir möchten einen Cloud-Zugang machen. Das ist auch sozusagen guter fairer Dualismus.
Unter den Tisch stellen, ja, wollen sie das denn überhaupt? Wir reden hier über Anwendungen, wo Supercomputer in die Knie gehen. Und das ist eigentlich etwas, was uns im Alltag selten betrifft. Respektive, wenn Sie eine sehr komplexe Stauumfahrung machen, dann fragen Sie ordentlich Rechenzeit ab. Aber die steht eben auch in der Cloud.
Also ich glaube, für den Alltag sehe ich wenig Anwendungen für Quantencomputer. Ob ich jetzt so blöd klinge wie der frühere IBM-Chef, der an den Weltmarkt für Driftcomputer geglaubt hat, weiß ich natürlich nicht. Das wird die Zeit zeigen.
Was den Cloud-Zugang angeht, da gibt es schon heute Angebote. Das sind teilweise Freemium-Angebote von Firmen, wo man dann halt was zahlen muss, wenn man das Spitzenprodukt haben möchte. Aber tatsächlich ist es bereits jetzt so, dass Quantencomputer an verschiedenen Stellen gehostet werden, zum Beispiel am Jülich Supercomputing Zentrum, aber auch am Leibniz Rechenzentrum in München.
Und wenn Sie zu Hause eine coole wissenschaftliche Idee haben, die die Gutachter überzeugt, dann können Sie ja den heute benutzen. Wenn Sie eine Firma sind, dann schlagen die deutschen Compliance-Regeln zu, dann müssen Sie auf jeden Fall eine Gebühr dafür bezahlen. Aber die Hürde sinkt auf jeden Fall schrittweise.
Und einige Angebote, mit denen man tatsächlich erstaunlich weit kommt, gibt es kostenlos bei verschiedenen Firmen bereits. Dann denke ich mir jetzt mal zu Hause ein wunderbares Forschungsprojekt aus, damit ich Quantencomputer benutzen kann.
Abschluss
Ansonsten danke ich Ihnen sehr für dieses spannende Gespräch und Ihre Zeit. Schönen Dank, es hat Spaß gemacht. Vielen Dank auch für die Produktion dieser Folge. Die kam diese Woche von Paula Bültemann.
Das war es für diese Woche vom Forschungsquartett. Immer donnerstags gibt es eine neue Folge. Wir freuen uns, wenn ihr dann wieder zuhört und wenn ihr einer wissenschaftsbegeisterten Person vom Forschungsquartett erzählt. Mein Name ist Wieland Mikulajczyk. Vielen Dank fürs Zuhören. Bleibt neugierig! Bis zum nächsten Mal.
Das Forschungsquartett Wissenschaft bei detektor.fm, in Kooperation mit dem Forschungszentrum Jülich, WDR mediagroup.
Foto: Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau