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Quantum Computing: Die Zukunft der Computer?

Redaktion BWI

Innovation

Quantum Computing – was vor wenigen Jahren noch wie reine Zukunftsmusik klang, entwickelte sich in den letzten Jahren stetig weiter und nahm rasant Fahrt auf. Im Januar 2019 stellte IBM mit dem Q System One den nach eigenen Angaben „ersten universellen, integrierten Quantencomputer für die kommerzielle Nutzung“ vor, der außerhalb einer Laborumgebung einsetzbar ist. Auch in Deutschland tut sich viel: Ansässige Quantenexperten gelten als führend, deutsche IT-Zulieferer stellen wichtige Bestandteile für Quantencomputer her und viele Start-ups entwickeln Quanten-Software. Auch die Bundesregierung investiert zwei Milliarden Euro Fördergelder im Rahmen ihrer Covid-19-Konjunkturhilfe vom Juni 2020.

Das „Munich Quantum Valley“ der Max-Planck- und Fraunhofer-Gesellschaft, der Münchner Universitäten LMU und TUM sowie zahlreichen Firmen, will mit staatlicher Förderung mindestens zwei richtungsweisende Quantencomputer bauen. Die Fraunhofer Gesellschaft plant noch in diesem Jahr, die ersten universellen Quantencomputer in Betrieb nehmen. Universell bedeutet, dass die Quantencomputer ähnlich wie herkömmliche Rechner für viele unterschiedliche Aufgaben verwendet werden könnten. In einem Lehrstuhl zu Quantum Computing forscht die Universität der Bundeswehr München mithilfe der Online-Plattform „IBM Q Experience“ an praktischen Anwendungsfällen für die Truppe.

Ein Quantum an Möglichkeiten – auch für die Bundeswehr

Quantencomputer werden schon für zahlreiche Aufgaben eingesetzt: Wirtschaftswissenschaftler analysieren mit ihnen Risiken und im Flugzeugbau, in der Medizin und in der Automobilindustrie berechnen sie Eigenschaften von Materialien. Perspektivisch können sie auch der Bundeswehr nützliche Dienste leisten – zum Beispiel in der Logistik: Wie müssen Truppen verteilt werden? Von wo sollte wann welche Ausrüstung geliefert werden? Wie sieht die optimale IT-Ausstattung im Einsatzgebiet aus? Ein Quantencomputer könnte die mathematisch besten Antworten in Sekunden ermitteln, weil er potenzielle Lösungswege parallel berechnet. Für die Bundeswehr als einen der größten Logistiker Deutschlands kann die sekundenschnelle Lösung dieser Frage nicht nur Ressourcen sparen, sondern auch in kritischen Situationen strategische Vorteile bringen.

Auch in dem für die Bundeswehr nicht unwesentlichem Bereich „Sicherheit und Kommunikation“ gibt es beachtliche Fortschritte: Die Quantenkryptographie überträgt Daten abhörsicher. Die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Initiative „QuNet“ hat die Grundlagen der Systemarchitektur bereits entwickelt und erfolgreich Schlüssel über verschiedene Distanzen versandt.


Wieso rechnen Quantencomputer so schnell?

Während alltägliche Aufgaben wie Office-Anwendungen oder im Internet-Surfen auf lange Sicht weiter Aufgaben für herkömmliche Computer sind, könnten Quantencomputer bei Aufgaben triumphieren, an denen selbst Hochleistungsrechner scheitern. Sie können exponentiell schneller rechnen, weil sie mehrere Aufgaben gleichzeitig kalkulieren.

Klassische Computer rechnen mit Nullen und Einsen – Bits. Ein Zustand existiert oder nicht. Quantencomputer hingegen bilden auch sämtliche Zustände zwischen Null und Eins ab und speichern sie in sogenannten Quantenbits, kurz Qubits. Ein Beispiel: Eine Münze kann wie ein Bit entweder auf Kopf oder Zahl, also Null oder Eins, landen.

Ein Qubit hingegen ist die in die Luft geworfene Münze, die sich schnell um sich selbst dreht. Sie befindet sich in beiden Zuständen gleichzeitig und in allen dazwischen.

Qubits können außerdem „quantenverschränkt“ sein, also miteinander verbunden. Ihre Zustände beeinflussen sich dann gegenseitig – und das in Überlichtgeschwindigkeit. Dadurch können Quantencomputer eine gigantische Anzahl von Rechenpfaden gleichzeitig erforschen. Entscheidend dafür ist die Qualität der Qubits, nicht deren Anzahl: Ein Quantensystem muss lange genug stabil für eine Aufgabe bleiben, dabei möglichst viele Qubits miteinander verbinden und Störungen eliminieren.

 

Die BWI erkundet die Potenziale

Trotz aller Einschränkungen: Das Zukunftspotenzial von Quantencomputern ist speziell mit Blick auf „Big Data“ groß. Daher beschäftigt sich der Bereich „Innovation & Technology“ der BWI seit einigen Jahren intensiv damit. Zusammen mit der SVA GmbH, der Universität der Bundeswehr München und der Technischen Universität München fand im Februar ein Hands-On-Workshop mit 20 Teilnehmer*innen aus unterschiedlichen Bereichen der BWI und der Bundeswehr statt. In seinem Fokus standen die aktuellen Quantentechnologien sowie die Grundlagen des Quantum Computing. Die Übungen wurden auf der cloudbasierten IBM-Quantum-Experience-Plattform durchgeführt und somit praxisnah vermittelt. Der technisch anspruchsvolle Workshop ermöglichte es auch Nicht-Experten, erste Eindrücke über grundlegende Funktionsweisen, Stärken und Schwächen der Technologie zu entwickeln.

Wie funktioniert Quantum Computing und an welchen Anwendungsszenarien wird weltweit geforscht? – Dieser Frage gehen auch Fachleute aus der Abteilung BWI innoX und dem CTO-Office auf den Grund. Sie erforschen mögliche Anwendungsszenarien und Potenziale. „Wir überprüfen, ob und wie die Technologie Mehrwerte für die Bundeswehr oder die BWI schafft – auch wenn es noch Jahre dauern könnte, bis sie optimal auf der sich rasant entwickelnden Quantum-Computing-Hardware läuft“, erklärt Jan Riedel vom innoX-Team die Herangehensweise der BWI.

Den Quanten zum Sprung verhelfen

Dr. Alexander Zumdieck vom CTO-Office der BWI betont, dass Quantum Computing jetzt in der Nutzung ankommt: „Beim Quantum Computing stehen wir jetzt am Sprung in die breitere produktive Nutzung – vergleichbar mit den 1950er-Jahren für binäre Computer. Auch diese Technologie müssen wir beherrschen. Heute gehen wir die ersten Schritte, um unseren Kunden damit in einigen Jahren stabile Services anbieten zu können.“

Der Knackpunkt: Auch Quantencomputer rechnen nur mit Vorgaben und müssen deshalb frei programmierbar sein. Ohne Spezialist*innen, die komplexe Algorithmen entwickeln und implementieren können, hilft die stärkste Rechenleistung wenig. Doch die Gesetze der Quantenphysik verlangen eine andere Art der Programmierung. Auch sind die heute zur Verfügung stehenden Tools noch sehr rudimentär und hardwarenah: Jedoch gibt es eine Vielzahl von Anknüpfpunkten für die Interaktion von klassischen und Quantencomputern.

Fazit: Die ersten Quantencomputer sind bereits auf dem Markt. Die BWI behält das Thema im Blick und macht sich bereit.

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