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Er heißt Quantum System One und mag es kalt: Auf minus 273 Grad wird der Quantencomputer in Ehningen gekühlt.
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Er heißt Quantum System One und mag es kalt: Auf minus 273 Grad wird der Quantencomputer in Ehningen gekühlt.

Rechner

Quantencomputer von IBM: Ab in die Zukunft

Erstmals steht ein funktionierender Quantencomputer in Deutschland. Wirtschaft und Wissenschaft setzen große Hoffnungen in die Technik. Von Björn Hartmann.

Ehningen ist ein beschaulicher Ort, mit etwas mehr als 9000 Einwohnerinnen und Einwohnern, dazu ein Schloss und ein Fluss, der durchs Zentrum plätschert. Nichts deutet daraufhin, dass hier, 30 S-Bahn-Minuten vom Stuttgarter Zentrum entfernt, Computergeschichte geschrieben wird. Denn seit Dienstag beherbergt Ehningen auch den ersten funktionstüchtigen universellen Quantencomputer außerhalb der USA.

Quantum System One heißt das Gerät, das im Kern aussieht wie ein etwas überkandidelter Kronleuchter voller gedrehter goldener Spaghetti. Im Betrieb verschwindet er in einer Säule, die wiederum in einem Würfel mit drei Metern Kantenlänge steckt. Dass der Rechner in Schwaben steht, hat mit IBM zu tun. Und der US-Konzern, der den Rechner entwickelt hat, residiert mit seiner Deutschlandzentrale in Ehningen, wo Quantum System One im firmeneigenen Rechenzentrum aufgebaut ist. Nutzen dürfen ihn exklusiv die deutschen Fraunhofer Institute, zunächst bis Ende 2023.

Bundeskanzlerin Angela Merkel (CDU) bezeichnete den Supercomputer während der Enthüllung am Dienstag in einer Videobotschaft als „Wunderwerk der Technologie“. Deutschland gehöre in der Quantentechnologie-Forschung zur Weltspitze. Nun sei es aber das Ziel, sich Forschungsergebnisse „möglichst schnell“ auch für wirtschaftliche Anwendungen zunutze zu machen. Da könne die Anlage in Ehningen entscheidend helfen.

Der Quantencomputer hat ein enormes Potenzial unter anderem wegen der Art, wie er arbeitet. Herkömmliche Geräte müssen alle Möglichkeiten durchrechnen, um zum besten Ergebnis zu kommen, das dauert zum Teil sehr lange und ist bei manchen Aufgaben wegen der schieren Menge an Rechenoperationen nicht möglich. Der Quantencomputer rechnet parallel und ist um ein Vielfaches schneller. Mit ihm lassen sich dann zum Beispiel Natursimulationen erstellen oder komplizierte Logistikketten optimieren oder Milliarden von Zahlungsströmen in Echtzeit steuern, während komplexe regulatorische Vorgaben berücksichtigt werden.

Was recht einfach klingt, ist sehr schwer umzusetzen. Das hat nicht nur mit der komplizierten Quantentheorie zu tun. Eine Schwierigkeit ist technischer Art: Qubits, mit denen Quantum System One rechnet, sind äußerst empfindlich. Sie lieben es sehr kalt, der Computer steckt deshalb in einer Art Kühlschrank, der mit Gasen und technischen Tricks auf eine Temperatur nahe des absoluten Nullpunkts von minus 273 Grad gebracht wird – kälter als das Weltall. Qubits dürfen nicht erschüttert werden, da kann zum Beispiel eine Autobahn in der Nähe einiges durcheinanderbringen. Und auch Strahlung mögen die Recheneinheiten nicht.

Dann sind da noch Schwierigkeiten inhaltlicher Art. Man weiß, was der Rechner kann und wofür er eingesetzt werden könnte, aber nicht genau, wie die Anwendungen gestaltet sein müssen, um die Fähigkeiten des Rechners voll auszunutzen.

Die Fraunhofer Institute wollen deshalb in ihrem Forschungsprojekt gemeinsam mit Unternehmen und Start-ups Anwendungen entwickeln und erforschen. Und es sollen Fachleute ausgebildet werden. „Nur weil sie Physik oder Informatik studiert haben, können Sie nicht automatisch einen Quantencomputer bedienen“, sagt Professor Manfred Hauswirth vom Fraunhofer Institut für offene Kommunikationssysteme (Fokus) in Berlin, Co-Koordinator des Projekts. Das Ziel: Deutschland soll weltweit vorn dabei sein bei der neuen Technik.

Was ist ein Qubit?

Ein Quantencomputer speichert Informationen nicht in Form von Bits, die nur zwei mögliche Zustände annehmen können, nämlich Eins oder Null.

Das Qubit eines Quantencomputers kann stattdessen beides gleichzeitig sein. Das Quantenteilchen hält solange beide Zustände bei, bis man es sich ansieht oder misst.

Im Gegensatz zu Digitalrechnern arbeiten Quantencomputer also nicht nach den Regeln der klassischen Physik oder Informatik. Sie funktionieren vielmehr nach den Gesetzen der Quantenmechanik. afp/dpa

Merkel machte klar, man stehe erst am Anfang, aber die Technik lasse bereits „gewaltige“ Innovationspotenziale erkennen. Die ultraschnellen Superrechner könnten in Verbindung mit künstlicher Intelligenz mittelfristig Leistungsschübe für mehr Wertschöpfung schaffen. Als naheliegende Anwendungsbeispiele nannte die Kanzlerin die Medizintechnik und die Logistik- und Materialforschung.

Darüber hinaus investiert die Bundesregierung in die Entwicklung der superschnellen Rechner selbst, zuletzt wurden hierzu zwei Milliarden Euro aus den Etats des Bundesforschungsministeriums sowie des Bundeswirtschaftsministeriums freigegeben. Ziel ist es, Quantencomputer bald auch ohne Hilfe US-amerikanischer Unternehmen bauen zu können. Bislang gibt es in Deutschland noch keinen Quantencomputer, der komplett ohne Technik aus dem Ausland gebaut wurde. Immerhin gelten die deutschen Mittelständler Trumpf und Sick bei quantenoptischen Sensoren als führende Know-how-Träger.

IBM selbst setzt auf eine große weltweite Entwicklergemeinschaft, die gemeinsam an Anwendungen arbeitet und das Gerät laufend verbessert. Der US-Konzern hatte den Quantum System One 2019 vorgestellt. Inzwischen laufen 40 solcher Quantencomputer in einem IBM-Rechenzentrum im US-Bundesstaat New York, wo der Konzern Großrechner entwickelt. Die Rechenleistung dort können auch Firmen nutzen. Daimler etwa stützte sich auf Quantencomputing für eine neue Lithium-Batterie.

Der aktuelle Rechner hat 65 Qubits, IBM schätzt, das im nächsten Jahr bereits ein Gerät mit 128 Qubits laufen wird. 2023 soll es dann mehr als 1000 Qubits haben, ein großer Sprung. Denn jedes zusätzliche Qubit verdoppelt die Leistungsfähigkeit des Rechners.

Bei IBM heißt es, man stehe erst am Anfang der Technik. Der Plan: Binnen zehn Jahren sollen Quantencomputer und klassische Computer zusammenarbeiten. Wer ein kompliziertes Rechenproblem hat, nutzt dann die Leistungsfähigkeit des Quantencomputers über eine Cloud, wie IBM-Vizepräsident Jay Gambetta in einem Blogeintrag skizziert hat. Eine enorme Aufgabe. Der klassische Computer brauchte Jahrzehnte von der Touringmaschine und Konrad Zuses Z1 in den dreißiger Jahren bis zu den ausgefeilten Cloud-Diensten, die es heute gibt.

Künftig will IBM Quantum System One auch verkaufen. Die Chancen sind riesig. Die Analyst:innen der US-Bank Morgan Stanley schätzen, dass sich der Markt für High-End-Quantencomputer bis 2025 auf zehn Milliarden Dollar pro Jahr verdoppeln wird. Die Zahl der Käuferinnen und Käufer ist aber noch übersichtlich. Einen Rechner hat die gemeinnützige Cleveland Clinic im US-Bundesstaat Ohio gekauft, die ihn für Pharmaforschung nutzen will. Liefertermin: 2023. Preis: auf Anfrage. Offiziell nennt IBM nicht einmal eine grobe Zahl. Firmengeheimnis.

Denn auch die Konkurrenz arbeitet an Quantenrechnern. Mit dabei sind der US-Internetkonzern Google, der chinesische Internetriese Alibaba und Start-ups wie Novarion, Rigetti und D-Wave. Nicht alle arbeiten an universellen Superrechnern, die jede Art von Rechenoperation ausführen können, sondern an Quantencomputern für spezielle Einsätze. Google hat einen universellen Quantencomputer mit 73 Qubits entwickelt, der allerdings derzeit nicht stabil läuft.

Bis alle einen kleinen Quantencomputer zu Hause haben oder Rechenkapazität nutzen können, dauert es. Professor Manfred Hauswirth vom Fraunhofer Fokus sagt: „Wir wissen, dass wir es schaffen werden. Aber wir können uns nicht glaubwürdig auf einen Zeitpunkt festlegen, an dem wir praxistaugliche Quantencomputer haben.“ (mit dpa)

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