Chancen, Risiken und Anwendungen einer neuen Technologie

Mit MeluXina hat Luxemburg einen Supercomputer, der es unter die Top 50 der 500 schnellsten Rechner auf dem Planeten schafft. MeluXina-AI soll folgen und das Großherzogtum in Sachen KI für die Zukunft zu rüsten. So kann MeluXina beispielsweise in jeder Sekunde rund 18 Billionen Rechenoperationen erledigen. Dafür brächte es mehr als 45.000 PCs. Doch die Konkurrenz steht in den Startlöchern: Quantencomputer. Diese sollen in mehreren wichtigen Anwendungen die aktuell schnellsten Rechner weit in den Schatten stellen. Denn sie werden nicht einfach nur ein bisschen schneller sein. Sie sollen eine wahre Revolution lostreten. Doch was ist dran, an diesen Lobeshymnen? Was genau sind Quantencomputer? Wann können wir mit ihnen rechnen? Und was wird sich durch sie alles verändern?

Die Antwort auf diese und noch viel mehr Fragen rund ums Quantencomputing haben wir für euch hier zusammengestellt. Außerdem haben wir den Quantentechnologie-Experten Florian Kaiser vom Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST) um eine Einordnung gebeten.

In a nutshell: Quantencomputing

• Weil klassische Computer bald an die Grenzen der Physik stoßen, könnten Quantencomputer die Lösung für rechenintensive Aufgaben sein.
• Klassische Computer rechnen mit winzigen Schaltern; Quantencomputer nutzen einzelne Teilchen wie Atome, Ionen, einzelne Lichtteilchen oder supraleitende Stromkreise.
• Klassische Bits können nur einen von zwei Zuständen haben, Quantenbits können beide gleichzeitig einnehmen – und alles dazwischen.
• Quanteneffekte wie Superposition und Verschränkung erlauben es Quantencomputern, extreme Datenmengen zu verarbeiten, welche die Fähigkeiten von klassischen Computern überschreiten.
• Das Herz eines Quantencomputers sieht meistens sehr futuristisch aus. Quantensysteme müssen gut von ihrer Umgebung isoliert werden, z. B. in einer Vakuumkammer oder einem ultrakalten Kühlschrank nahe dem absoluten Temperatur-Nullpunkt.
• Quantencomputer sind Spezialisten – keine Alleskönner. Selbst wenn sie irgendwann kompakter und robuster werden, ersetzen sie weder Laptop noch Smartphone. Stattdessen könnten sie als zusätzliche Recheneinheit in klassischen Systemen arbeiten.
• Aktuell sind Quantencomputer noch in der Entwicklung. Es gibt heute noch keine wirklichen Anwendungen. Es gibt aber Beispiele, die zeigen, dass mit einer Beschleunigung der Chemie und den Materialwissenschaften zu rechnen ist.
• Denn Quantencomputer haben das Potenzial, unzählige Bereiche unseres Lebens zu revolutionieren. KI, Medizin, Logistik oder Grundlagenforschung sind nur einige davon.
• Noch sind Quantencomputer kein Problem für unsere Passwörter, könnten es theoretisch aber werden. Deshalb stellen Forscher bereits jetzt die Weichen für eine „quantensichere Zukunft“.
• Quantencomputer sind anfällig für Störungen, lassen sich schwer skalieren und benötigen aufwändige Fehlerkorrekturen.
• Viele Länder sind auf dem Gebiet des Quantencomputing heute aktiv – vor allem die USA, China, die EU und Kanada.

Weshalb reden wir über den Quantencomputer?

Klassische Computer haben es weit gebracht. Sie baumeln heute in Form von Smartwatch an unserem Handgelenk, stecken als Smartphone in unserer Hosentasche, stehen als Desktop oder Laptop auf dem Schreibtisch oder füllen als Supercomputer sogar ganze Labore aus. Sie machen das Internet möglich, sind für jeden Bürojob unabdingbar, sagen das Wetter von übermorgen voraus und helfen Forschern, der Natur ihre Geheimnisse zu entlocken. Doch so langsam stoßen sie an ihre Grenzen. Warum? Die physikalischen Gesetze erlauben es nicht, dass herkömmliche Computerchips noch sehr viel kleiner und damit leistungsfähiger werden. Aber vor allem Anwendungen aus Wissenschaft und KI verlangen nach immer mehr Leistung. Die Lösung könnten Quantencomputer sein, die nach einem ganz anderen Prinzip arbeiten als unsere herkömmlichen Rechner.

Was ist ein Quantencomputer, und wie unterscheidet er sich von einem normalen Computer?

Bevor wir einen Quantencomputer kennenlernen, sollten wir erst einen Blick auf unsere klassischen Computer werfen. Die Chips in deren Inneren bestehen aus Milliarden winzig kleiner elektronischer Schalter. Die lassen elektrischen Strom durch - oder sperren ihn. Es gibt also zwei Zustände: An oder Aus. Null oder Eins. Das ist die kleinste Informationseinheit in der unserer heutigen Informationstechnik: das Bit. Es bildet die Grundlage des binären Computersystems – und damit lässt sich gut rechnen. Je mehr dieser winzigen Schalter nun auf einen Chip gepackt werden, umso mehr Rechenoperationen lassen sich ausführen. Der Computer wird schneller. Doch die Schalter lassen sich nicht beliebig verkleinern.

Quantencomputer funktionieren anders. Sie setzen nicht auf Schalter, sondern auf einzelne Teilchen – etwa Atome, Ionen oder supraleitende Stromkreise.

Diese Teilchen gehorchen den Regeln der Quantenmechanik. Das heißt: Sie können nicht einfach nur den Zustand Null oder Eins annehmen wie ein klassisches Bit – sondern beides gleichzeitig. Diese Überlagerung nennt man Superposition. Und sie macht das Quantenbit, kurz Qubit, so besonders. Dadurch kann es viel mehr Informationen gleichzeitig verarbeiten. Erst wenn man genau hinschaut und das Qubit misst, legt es sich auf einen der beiden Werte Null oder Eins fest und verlässt seinen Zwischenzustand der Superposition. Quantencomputer nutzen zusätzlich ein weiteres Phänomen: Verschränkung. Damit lassen sich mehrere Qubits miteinander koppeln. Sie verhalten sich dann wie ein gemeinsames System, selbst wenn sie weit voneinander entfernt sind. Das erlaubt eine völlig neue Art des Rechnens. Natürlich müssen Qubits dafür erst einmal erzeugt werden, indem man beispielsweise einzelne Atome oder Ionen einfängt. Und sie müssen gesteuert werden – etwa durch Mikrowellenstrahlung oder Laserpulse. Das alles ist nicht gerade trivial – wie wir später noch sehen werden.

Warum sind Quantencomputer so leistungsfähig – und können sie wirklich alles schneller berechnen?

Superposition und Verschränkung ermöglichen es einem Quantencomputer, sehr viele Berechnungen parallel durchzuführen. Will man beispielsweise die schnellste Route zu seinem Lieblingscafé wissen, rechnen herkömmliche Computer alle möglichen Routen nacheinander durch. Das geht zwar heute schon sehr schnell. Doch Quantencomputer können das schneller. Sie rechnen alle möglichen Routen gleichzeitig durch. Das steigert die Rechenleistung exponentiell. Zugegeben, bei unserem Beispiel mit dem Navi macht das nicht so recht Sinn. Möchte man aber täglich die energieeffizientesten Routen für große Logistikunternehmen berechnen, sieht die Sache schon wieder ganz anders aus. Auch in der Wissenschaft gibt es heute komplexe Simulationen, die nach Rechenpower schreien. Zum Beispiel in der Materialforschung oder in der Biologie. Und nicht zuletzt sind Militär und Geheimdienste an schnellen Gehilfen interessiert, mit denen sich Verschlüsselungen und Codes knacken lassen.

Quantencomputer sind aber keine besseren klassischen Computer. Sie funktionieren anders und sind deshalb auch für ganz andere Anwendungszwecke nützlich. Bei hochkomplexen Aufgaben, die mit klassischer Computerlogik schwer zu lösen sind, bringen sie Vorteile. Viele Alltagsaufgaben wie Textverarbeitung, Tabellen oder Webanwendungen profitieren davon aber nicht. Das heißt, für unsere Alltagsanwendungen sind Quantencomputer weder heute noch künftig die richtige Wahl.

Wie sehen Quantencomputer aus? Und werden sie auch bald in unseren Smartphones sein?

Wenn Du nach Quantencomputern googelst, wirst Du ganz unterschiedliche Bilder sehen. Manche zeigen goldglänzende, vielschichtige Gebilde, die an ein Bauteil von der Enterprise oder an einen futuristischen Kronleuchter erinnern. Auf anderen siehst Du hingegen etwas, dass einer großen weißen Thermoskanne oder einem Wasserboiler ähnelt. Beide Ansichten sind korrekt. Sie zeigen nur unterschiedliche Blickwinkel auf die aktuell fortschrittlichste Technik - supraleitende Stromkreise.

Der „Kronleuchter“ ist das Herzstück vieler Quantencomputer. Es ist ein filigranes Geflecht aus Kühl- und Steuerleitungen, das die empfindlichen Qubits beherbergt. Diese müssen bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt betrieben werden, also knapp über 0 Kelvin oder −273,15 Grad Celsius. Das ist kälter als im Weltall. Dafür ist eine aufwändige Kühlung nötig. Und dafür ist die weiße zylinderförmige Tiefsttemperatur- oder Kryokammer da. Sie ist also einfach nur die Hülle.

Und wie sieht’s mit dem Alltag aus? Können wir bald Quantencomputer im Handy haben? Die kurze Antwort lautet: Nein. Quantencomputer sind Spezialisten – keine Alleskönner. Selbst wenn sie irgendwann kompakter und robuster werden, ersetzen sie weder Laptop noch Smartphone. Stattdessen könnten sie als zusätzliche Recheneinheit in klassischen Systemen arbeiten – so wie heute zum Beispiel eine GPU, ein optimierter Grafikprozessor der in Computern, Spielkonsolen oder Smartphones enthalten ist. Fachleute sprechen dann von einer QPU – einer Quantum Processing Unit. In Rechenzentren könnten damit komplexe Aufgaben gelöst werden, während der Rest klassisch läuft.

Wo werden Quantencomputer heute schon genutzt – und wann werden sie für den Alltag relevant?

Quantencomputer gelten als vielversprechende Technologie der Zukunft – doch heute stehen sie noch ganz am Anfang. Die meisten existierenden Systeme gehören zur sogenannten NISQ-Generation („Noisy Intermediate-Scale Quantum“): Sie arbeiten teilweise schon mit relativ vielen Qubits, allerdings sind diese noch recht fehleranfällig und eignen sich daher bislang nur für Demonstrationszwecke im Labor.

Zwar lassen sich damit einfache Simulationen von Molekülen oder mathematische Optimierungsprobleme durchführen – doch ein unumstrittener praktischer Nutzen im Alltag ist bislang nicht erreicht. Viele dieser Simulationen dienen vor allem dazu, bestimmte Fähigkeiten von Quantenprozessoren besonder stark sichtbar zu machen, nicht aber reale Probleme zu lösen.

Seriös vorherzusagen, in wievielen Jahren es forschungs- oder alltagsrelevante Anwendungen für Quantencomputer geben wird, ist aus heutiger Sicht nicht möglich, sagen viele Fachleute. Erst mit der nächsten Generation – den fehlertoleranten Quantencomputern – wird es möglich werden die komplette Palette an Quantenalgorithmen zu implementieren, wodurch die vielversprochenen Quantenvorteile erreicht werden können. Diese Geräte müssten deutlich stabiler rechnen und ihre Qubits zuverlässig gegen Störungen schützen. Derzeit liegt die Fehlerrate bei einzelnen Qubit-Systemen aber noch bei 1 zu 1.000 bis 1 zu 1 Million - dies muss aber noch weiter verbessert werden, und zwar zuverlässig auch für Systeme mit vielen Qubits.

Firmen wie IBM arbeiten an genau solchen Systemen und haben dazu konkrete Entwicklungspläne veröffentlicht. Laut IBM’s aktueller Roadmap wird frühestens in den 2030er-Jahren mit praxisrelevanten Anwendungen gerechnet.

Wie könnte Quantencomputing die Welt in den nächsten Jahrzehnten verändern?

Gewaltig. Denn Quantencomputer haben das Potenzial, unzählige Bereiche unseres Lebens zu revolutionieren. Hier ein paar Beispiele:

• KI: Indem sie neuronale Netze optimieren und schneller trainieren, können Quantencomputer neue, noch leistungsfähigere KI-Modelle erschaffen. Und das alles bei viel geringerem Energieverbrauch.
• Medikamentenentwicklung: Indem sie Moleküle und chemische Reaktionen auf atomarer Ebene in kurzer Zeit simulieren, können Quantencomputer die Entwicklung von Medikamenten beschleunigen und auch die personalisierte Medizin voranbringen.
• Optimierung: Komplexe Systeme wie Schiffs- oder LKW-Routen, länderübergreifende Stromnetze oder weltweite Lieferketten zu optimieren, kann mit heutigen Computern schon mal Jahre dauern. Quantencomputer erledigen diese Aufgaben in Sekunden, was in unserer heutigen dynamischen Welt immens wichtig ist. Außerdem spart das Ressourcen und erhöht die Nachhaltigkeit gewaltig.
• Materialforschung: Effiziente Batterien, fortschrittliche Supraleiter, energiesparende Halbleiter – technologischer Fortschritt giert nach neuen Werkstoffen. Heute werden deren Eigenschaften oft in aufwendigen Laborexperimenten bestimmt. Viel schneller geht das aber in Simulationen. Und die werden durch Quantencomputer nochmal extrem beschleunigt.
• Kommunikationssicherheit: Zugegeben – ausgereifte Quantencomputer könnten unsere heutige Verschlüsselung mühelos knacken. Doch sie ermöglichen auch die Quantenverschlüsselung. Damit können nicht nur staatliche Behörden, sondern auch Unternehmen extrem sicher kommunizieren.
• Wissenschaft: Da Quantencomputer hervorragend mit riesigen Gleichungssystemen umgehen können, prädestiniert sie das für rechenintensive Anwendungen wie Wetter- und Klimamodelle oder Grundlagenforschung in Physik, Chemie oder Biologie.

Sind meine Passwörter und Kreditkarten noch sicher, wenn der Quantencomputer kommt?

Ja, aktuell sind Deine Passwörter und Kreditkarten noch sicher. Denn die heute existierenden Quantencomputer sind nicht annähernd leistungsfähig genug, um gängige Verschlüsselungen wie RSA oder ECC zu knacken. Aber: In der Theorie ist die Gefahr groß, dass sie es in der Zukunft könnten. Sobald große und damit leistungsstarke Quantencomputer einsatzfähig sind, könnten sie viele der heutigen Sicherheitsstandards in kurzer Zeit aushebeln – inklusive solcher, die Kreditkarten, Online-Banking oder verschlüsselte Kommunikation schützen.

Forscher am LIST sind Gründungsmitglieder der Europäischen Quantentechnologie Flaggschiff Projektes "Quantum Internet Alliance", welche seit 2017 signifikante Fortschritte erzielt hat, um das Internet in Europa quantensicher zu machen.

Und an der Uni Luxemburg arbeiten Forscher an einem Projekt, um LuxTrust quantensicher zu machen.

Davon wären dann nicht nur wir als Privatpersonen betroffen. Vor allem Regierungen, Geheimdienste und Unternehmen sind alarmiert. Dabei geht es nicht mal nur um die Geheimnisse der Zukunft. Denn schon heute lassen sich verschlüsselte Daten abgefangen und solange „auf Lager legen“, bis sie irgendwann mit Quantencomputern entschlüsselt werden könnten. Dieses Szenario nennt sich „Harvest now, decrypt later“.

Es gibt aber auch gute Nachrichten. Auf der ganzen Welt arbeiten Forscher an quantensicherer Kommunikation. Ein Baustein dazu ist die sogenannte Post-Quanten-Kryptografie. Hier werden neue mathematische Verschlüsselungsverfahren benutzt, für welche heute keine effizienten Quantenalgorithmen bekannt sind. Der Vorteil dieser Verfahren ist, dass sie mit vielen unserer heutigen Geräte direkt kompatibel sind. In diesem Gebiet wurden auch schon einige offizielle Standards definiert, ein wichtiger Schritt zur Marktreife.

Das sicherste bekannte Verschlüsselungsverfahren ist das sogenannte One-Time-Pad-Protokoll. Dieses Verfahren ist das einzige mathematisch sichere Protokoll, das heißt, es hält allen Computern stand, egal ob klassisch oder quantenmechanisch, auch in der fernen Zukunft. Allerdings benötigt dieses Verfahren zwingend Quantenverschränkung zwischen den Benutzern. Das funktioniert heute im Labor schon ganz gut und erste Schritte Richtung Kommerzialisierung wurden gemacht. Allerdings ist die Technologie heute noch zu teuer und langsam für den Privatgebrauch. Forscher am LIST arbeiten aber an neuen Herstellungsverfahren, um die Kosten drastisch zu reduzieren. Außerdem testen Forscher an der Uni Luxemburg aktuelle kommerzielle Geräte und entwickeln die benötigte Software für Post-Quanten-Kryptografie, als auch für zukünftige Netzwerke mit Quantenverschränkung.

Was sind die größten Herausforderungen bei der Entwicklung von Quantencomputern?

Quantencomputer gelten als extrem leistungsfähig. Doch ihre Entwicklung ist alles andere als einfach. Der Grund: Qubits sind äußerst empfindlich. Schon minimale Störungen durch Wärme, Magnetfelder, Kristallschwingungen, oder sogar einzelne Lichtteilchen können ihre quantenmechanischen Zustände aus dem Takt bringen. Das nennt sich Dekohärenz und ist eines der größten Hindernisse auf dem Weg zu stabil arbeitenden Quantenrechnern.

Ein weiteres Hindernis ist die Skalierbarkeit. Die heute existierenden Systeme arbeiten nur mit wenigen Dutzend bis einigen Hundert Qubits. Richtig interessant wird es aber erst, wenn deren Zahl in die Tausende oder gar in die Millionen geht. Das ist heute noch nicht machbar. Denn je mehr Qubits man hinzufügt, desto schwerer wird es, sie zuverlässig miteinander zu verschalten und zu kontrollieren.

Und selbst wenn die Qubits stabil sind, schleichen sich immer wieder Fehler in die Berechnungen ein. Es braucht also Fehlerkorrekturmechanismen. Die arbeiten mit zusätzlichen Qubits und bügeln einzelne Ausrutscher aus. Sie zu entwickeln und zu integrieren, bedeutet allerdings die Zahl der Qubits nochmals um das hundert- bis tausendfache zu steigern, was ebenfalls eine gewaltige Herausforderung darstellt.

Braucht man eigene Software für Quantencomputer?

Ja – und zwar ganz neue! Da Quantencomputer grundlegend anders als klassische Rechner funktionieren, lassen sich normale Programme oder Apps nicht einfach übertragen. Es braucht spezielle Quantenalgorithmen, die gezielt die Eigenschaften von Qubits ausnutzen – etwa Superposition und Verschränkung.

Es gibt dafür bereits eigene Programmiersprachen, z. B.:

• Qiskit (von IBM), die auf Python basiert
• Cirq (von Google), die speziell für Quantenprozessoren entwickelt wurde
• Q# (von Microsoft), das eine .NET-Anbindung mitbringt

Diese Entwicklungssoftware richtet sich aktuell noch an Forschender und Entwickler. Auch hier muss die Entwicklung mit wachsender Reife der Technologie noch weitergehen.

Welche Unternehmen oder Lände sind bei der Quantenforschung führend?

Quantencomputing gilt als eine wichtige Zukunftstechnologie. Deshalb investieren Regierungen, Konzernen und Start-ups auf diesem Gebiet. In den USA sind das zum Beispiel Technologiegiganten wie IBM, Google, Microsoft, Intel. Milliardenschwere nationale Förderprogramme sorgen für den nötigen Anschub. Die Forschung ist dabei eng mit der Industrie und dem Militär verzahnt.

Auch China pumpt enorme Summen in die Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet. Die Volksrepublik setzt ihren Schwerpunkt dabei vor allem auf Quantenkommunikation, Quantenkryptografie und die Entwicklung eigener Hardware. China konnte bereits die erste erfolgreiche Quantenverschlüsselung via Satellit demonstrieren.

Mit dem Quantum Flagship Programm bündelt die Europäische Union die Anstrengungen der einzelnen europäischen Staaten wie Luxemburg, Deutschland, Frankreich oder die Niederlande. Auch Unternehmen wie Bosch, Siemens, Infineon, AQT, IQM, PASQAL erforschen das Quantencomputing.

Ein Pionier auf dem Gebiet ist Kanada. Das dort ansässige Unternehmen D-Wave entwickelt und baut frühe kommerzielle Quantencomputer. Und an Universitäten wie Waterloo findet starke Grundlagenforschung statt.

Andere Länder wie Japan, Australien und Südkorea investieren mittlerweile massiv ins Quantencomputing und holen auf.

Autor: Kai Dürfeld (für scienceRELATIONS - Wissenschaftskommunikation)
Redaktion: Michèle Weber, Jean-Paul Bertemes (FNR)