»Quantencomputing - Zukunft wird Realität« Rückblick 5. INNOVATIONSLOUNGE

Ein besonderes Veranstaltungsformat feiert Jubiläum. Unter dem Titel »Quantencomputing - Zukunft wird Realität« trafen sich inzwischen zum fünften Mal Expertinnen und Experten der Fraunhofer-Gesellschaft sowie die Managerinnen und Manger der auf Interimsmanagement spezialisierten Atreus GmbH. Tatsächlich reicht der Blick in die Zukunft bei dieser Technologie einige Jahre voraus. Dennoch haben Quantentechnologien und besonders Quantenrechner das Potential, die Welt der Computer sowie viele weitere Anwendungen zu revolutionieren und natürlich erforscht die Fraunhofer-Gesellschaft Anwendungen in sämtlichen Bereichen dieser Technologie.

Nicht nur das Thema, sondern auch das Konzept dieses Veranstaltungsformates bietet viel Potential: »Eine Besonderheit der INNOVATIONSLOUNGE des Fraunhofer-Alumni e.V. ist, dass wir Informationen zu neuesten Technologien und Trends, sehr fundiert und gut nachvollziehbar an ein Publikum bringen, das sonst so nicht zusammenkommt: Managerinnen und Manager von Atreus, Forscherinnen und Forscher sowie ehemalige Mitarbeitende der Fraunhofer-Gesellschaft«, fasst Prof. Dr. Alexander Kurz, ehemaliger Vorstand Innovation, Transfer und Verwertung, zusammen.

»Es ist ein Austauschformat bei dem man lernt, sich vernetzt und über Use-Cases, Kooperationen und Zusammenarbeitsformen spricht. Mein persönlicher Eindruck ist, dass alle Partner das als Win-Win empfinden und wir sind dankbar, dieses Format gemeinsam mit Atreus durchführen zu können«, so Prof. Kurz weiter.

»Gemeinsam mit dem Fraunhofer-Alumni e.V. entwickelten wir vor etwa fünf Jahren die Idee der INNOVATIONSLOUNGE, um Atreus-Managerinnen und -Managern ein Forum für anwendungsorientierte Forschung zu bieten und ihnen zu ermöglichen, in die Zukunft zu blicken und das ist uns auch mit dieser INNOVATIONSLOUNGE gelungen«, so Dr. Christian Frank, Partner und Board Member, Atreus GmbH. »Wir glauben, dass wir an einer Stufe stehen, an der wir beim Quantencomputing in die Anwendungen kommen«, so Frank weiter. Dennoch sieht Frank, wie auch viele andere Expertinnen und Experten noch einen weiten Entwicklungsweg.  

Unstrittig scheint jedoch die Frage zu sein, ob sich diese Anstrengung auszahlen wird. Schätzungen gehen für den Bereich Quantencomputing von einem Volumen von bis zu über einer Milliarde Dollar im Jahr und einer Wachstumsquote von mehr als 20 Prozent aus, wie Dr. rer. nat. Hannah Venzl, Leiterin der Geschäftsstelle des Kompetenznetzwerkes Quantencomputing der Fraunhofer-Gesellschaft, bei ihrem Vortrag erklärt. »Von großem Interesse sind aber vor allem spannende Anwendungen, die im Raum stehen, wenn wir einen starken Quantencomputer realisieren können.«

Dr. Hannah Venzl nennt als Beispiel chemisch-physikalische Simulationen: »Wenn wir auf das Molekül genau simulieren könnten, wie sich chemische Mischungen verhalten, wo ein Wirkstoff in der Blutbahn andockt, wie komplexe chemische Reaktionen ablaufen, hilft uns das beispielsweise, Arzneimittel oder Impfstoffe zu entwickeln.« Weitere mögliche Anwendungen seien laut der promovierten Quantenphysikerin Anwendungen der künstlichen Intelligenz, die Mustererkennung für die Vermeidung von Kreditkartenbetrug oder die Lösung von komplexen Optimierungsproblemen wie etwa die schnellste Route für einen Paketboten oder für Frachtschiffe.

Quantenrechner können spezielle Probleme deutlich besser lösen als herkömmliche Computer, »weil sie ein völlig anderes Rechenparadigma haben«, so Venzl. Mit einem Zitat des Nobelpreisträgers Bill Philips, veranschaulicht die Fraunhofer-Expertin diesen Unterschied: »Ein Quantencomputer ist so verschieden von einem klassischen Computer, wie ein klassischer Computer von einem Rechenschieber.«

Die kleinste logische Einheit eines Rechners ist entweder 0 oder 1. Venzl: »Die kleinste logische Einheit eines Quantenrechners ist das Qubit. Dieses Qubit kann ebenfalls die Zustände 0 und 1 haben, aber auch jede beliebige Überlagerung dieser beiden Zustände, wir sprechen dabei von der Superposition von Zuständen.« Für die mathematische Beschreibung eignet sich die so genannte Bloch-Kugel, bei der die Pole für 0 und 1 stehen, und die Fläche der Kugel für die möglichen Überlagerungen stehen. Nimmt man nun mehre Qubits, dann steigt die Anzahl der Zustände exponentiell. »Mit einem Qubit bekommt man zwei Zustände, bei zwei Qubits sind es vier, nehme ich zehn Qubits sind es bereits über 1000 Zustände und bei 300 bekommt man mehr Zustände als es Atome im Universum gibt«, veranschaulicht Venzl das Potential dieser Rechner. Wichtig an dieser Stelle ist aber auch, dass ein einzelner Rechenschritt in einem Quantenrechner für sich genommen noch kein sinnvolles Ergenis liefert. Quantenrechner sind probabilistisch, basieren also auf Wahrscheinlichkeiten. Eine "Rechenoperation" muss also mehrfach durchgeführt werden, um diesen dann statistisch auswerten zu können.

Doch so groß die Potentiale sind, sind aktuell auch noch die Hürden. Venzl: »Die Herausforderungen sind überall, bei der Hardware, bei der Middleware, bei der Software, den Algorithmen und Anwendungen und bei der Ausbildung.« Aktuell werden Algorithmen speziell für eine Hardware geschrieben. Der manuelle Bau der Rechner gestalte sich schwierig und praktisch für jeden Rechner müssen eigene Programme geschrieben werden, die sich zudem fundamental von der Programmierung herkömmlicher Rechner unterscheiden. Venzl betont auch, dass es aktuell noch kein industrierelevantes Problem bekannt sei, bei dem mit den aktuell verfügbaren Systemen ein so genannter Quantenvorteil erreicht werden kann.

Laut Venzl engagieren sich 19 Fraunhofer-Institute bei allen Aspekten der Quantenrechner, die in dem Fraunhofer-Kompetenznetzerkes Quantencomputing zusammengefasst sind. Neben der Entwicklung von Hard- und Software und Algorithmen erproben die Institute dieses Zusammenschlusses verschiedene Anwendungsfelder oder bieten Schulungen. Zudem vermittelt das Netzwerk exklusiv Zugriff auf das IBM Quantum System One mit 27 Qubits in Ehningen. Dr. Hannah Venzl sieht große Chancen, beton aber auch: »Wir haben noch einen Weg vor uns.«

Wie lange dieser Weg sein wird, also wann die ersten Quantenrechner für Unternehmen reale Probleme lösen, prognostiziert der Quantensoftware-Ingenieur Dr. Florian Knäble von Fraunhofer IAO: »Je nach Art der Anwendung schätze ich zwischen 3 und 10 Jahren. In einigen Bereichen wie Quantenchemie, bei Simulationen oder auch bei Risikosimulationen im Finanzsektor, wird das vielleicht schon in drei Jahren der Fall sein. Dann werden etwa bei Problemen wie der Primfaktorenzerlegung oder bei (chemischischen) Quantensimulationen exponentielle Vorteile erreicht werden. »Statt einer Rechendauer von zehn Jahren hätten wir ein Problem in wenigen Minuten gelöst«, verdeutlicht Knäble. Doch diese Vorteile lassen sich auch nicht in jeden Anwendungsfall erzielen.

Dr. Förtsch, Gründer und CEO des Quanten-Startups Q.ant berichtet, von einer starken Dynamik: »Gerade in den vergangenen Jahren ist sehr viel Glaube und Zuversicht auch in Form von Geld in die Quanten-Szene geflossen, was tatsächlich zu technologischen Fortschritt führt.« Das 2018 gegründeten Unternehmen Q.ant spezialisiert sich auf photonische Quanten-Sensoren sowie Quantencomputer. Eine der Anwendungen der Q.ant-Technologie ist ein Sensor, ein Laser, der mit Superpositionszuständen angereichert ist, der in einem Bioreaktor den Zustand von Algen überprüft. Ein weiteres Beispiel sind Magnetfeldmessungen mit quantenbasierten Sensoren. Diese sind in der Lage, Änderungen des Magnetfeldes etwa von menschlichen Muskeln zu detektieren. Somit könnten beispielsweise Prothesen über Muskelbewegungen gesteuert werden. 2025 bis 2026 soll dieser Sensor so weit entwickelt sein, dass damit tatsächlich Prothesen gesteuert werden können. Für Licht-basierte Quantencomputer stellt Q.ant künftig in einem eigenen Werk bei Stuttgart in Eigenregie Prozessoren her. Diese Lichtbasierten Quantenrechner haben zum Beispiel den Vorteil, dass diese nicht wie etwa das genannte IBM-System sehr stark gekühlt werden müssen, weisen jedoch andere Einschränkungen auf. Diese photonischen Chips sollen bei speziellen Kalkulationen sehr gute Leistungen erreichen oder lassen sich gut für das Training von neuronalen Netzen verwenden. Förtsch geht davon aus, dass diese photonischen Quantenchips in den nächsten 15 bis 20 Jahren in Hochleistungsrechenzentren als Ergänzung zu klassischen Prozessoren und Grafikkarten eingesetzt werden.

Auch wenn sich einige Anwendungen schon abzeichnen und vielleicht schon mittelfristig umsetzen lassen, macht Förtsch wie die Vorrednerinnen und Vorredner deutlich, dass die Entwicklung bei Quantenrechnern noch einige Jahre dauern wird und dementsprechend auch der Finanzierungsbedarf sein wird. Förtsch berichtet auch aus seiner Erfahrung, dass zwar in Europa und Deutschland aktuell viel in diesen Bereich investiert wird, in anderen Ländern wie etwa den USA deutlich mehr Risikokapital vorhanden ist.

Für Dr. Frank ist zudem entscheidend, dass diese Technologie zu einem Standortvorteil wird: »Wir müssen alles tun, dass diese Technologie und die Entwicklung dieser Technologie bis hin zur Marktreife in Deutschland und oder in Europa bleibt. Wir müssen alles tun, um einen Ausverkauf dieser Technologie zu vermeiden.«

Hannah Venzl bestätig, dass Deutschland und Europa im Quantencomputing aktuell sehr stark ist und auch bei der anwendungsorientierten Forschung gut aufgestellt ist. »Wir haben viele gute deutsche und europäische Start-ups, mit denen wir als Fraunhofer-Gesellschaft sehr gut zusammenarbeiten. Aktuell ist die Förderung sehr gut. Wie aber geht es weiter, wenn die aktuellen Förderrunden auslaufen? Viele Fragen bedürfen noch langer Forschung. Und dann ist es ganz wichtig, dass sowohl die öffentliche Hand wie auch die Industrie einsteigt und mit uns zusammen diese Technologie vorantreibt.«

»Die Kooperationen zwischen Wissenschaft und Wirtschaft ist ein entscheidendes Element, um herausragende Forschung, Ideen und Innovationen umzusetzen«, verdeutlicht Prof. Alexander Kurz, der zudem Vorstandsvorsitzender des Fraunhofer-Alumni e.V. ist. »Innovation ist dann da, wenn sie im Markt ist, in der Dienstleistung, im Produkt oder in einer Anwendung. Das funktioniert nur kooperativ: Die Wissenschaft muss die Bedarfe der Wirtschaft kennen, die Wirtschaft muss wissen, wo die Wissenschaft steht. Ab einem gewissen Entwicklungs-Level können wir die letzten Schritte nur gemeinsam unternehmen. Insofern sind Kooperationen in verschiedenen Formaten von äußerst wichtiger Bedeutung.«