Ein Quantum Hype

Der heilige Gral der Computerwissenschaft

Keine Konferenz, vom WEF in Davos über das Worldwebforum in Zürich bis zum DLD-Kongress in München, kommt gegenwärtig am Thema Quantencomputing vorbei. Dabei war es jahrzehntelang ruhig um diese Technologie. Doch im vergangenen Oktober schreckte Google die Wissenschaft auf mit der Meldung, mit Hilfe eines Quantenrechners innerhalb von 200 Sekunden ein mathematisches Problem gelöst zu haben, für das ein herkömmlicher Supercomputer rund 10 000 Jahre benötigt hätte. Diese sogenannte Quantum Supremacy, die Quantenüberlegenheit, galt als der heilige Gral der Computerwissenschaft, ihr Erreichen als technologische Sensation.

Denn das ist das grosse Versprechen dieser Technologie: die Leistungsfähigkeit von Computern in Dimensionen zu katapultieren, in denen sich alles berechnen lässt, was mathematisch irgendwie darstellbar ist.

Seit dem Beginn der Halbleiter-Ära in den 70er Jahren folgte der technologische Fortschritt dem Mooreschen Gesetz: dass sich die Dichte integrierter Schaltkreise alle 18 Monate verdoppeln lässt und damit auch die Rechen- und Speicherkapazität von Computern. Doch nach einem halben Jahrhundert stösst Moore’s Law an seine physikalischen Grenzen: «Ein Transistor ist heute nur noch ein paar hundert Atome gross, einzelne Schichten sind nur noch einige Atome dünn», sagt IBM-Frau Riel, eine weitere Verdichtung sei daher kaum möglich.

Schon seit einiger Zeit versucht die Industrie das Problem zu umgehen, indem man zum Beispiel die Rechenaufgaben auf mehrere, zum Teil spezialisierte Prozessoren auf einer Platine verteilt und die Taktfrequenz der Chips erhöht. Doch auch hier sind die Grenzen erreicht: zu hoch inzwischen der Energieverbrauch, zu stark die dabei entstehende Hitze. Die Quantentechnologie könnte all diese Einschränkungen beiseitefegen.

Grundlegend anders als bisherige Rechner

Quantencomputer funktionieren ähnlich, wie das die Natur auf subatomarem Level tut – und damit grundlegend anders als bisherige Rechner. Die Bits aus der klassischen Computerwelt können nur zwei Werte annehmen: 0 oder 1. Qubits, kurz für Quantenbits, können hingegen 0 und 1 gleichzeitig sein und auch jeder Wert dazwischen – genauso wie in der Quantenwelt ein Elektron an zwei Orten gleichzeitig sein kann.

Einen weiteren Effekt aus der Quantenmechanik machen sich die Entwickler der neuen Computer zunutze, das sogenannte Entanglement: Verbindet man zwei Qubits und beeinflusst den Zustand des einen, ändert sich auch der Zustand des anderen.

Beide Effekte zusammen lassen die Rechenleistung um Potenzen steigen: Ein klassischer Computer hat etwa zehn Milliarden Transistoren – fügt man einen weiteren hinzu, ändert das an der Leistungsfähigkeit quasi nichts. Bei einem Quantenrechner jedoch verdoppelt sich die Rechenkapazität mit jedem zusätzlichen Qubit. Kein Wunder, werden Quantencomputer derzeit in atemberaubendem Tempo besser – von doppelt exponentiellem Wachstum spricht man bei Google.

Der Rechner, mit dem Google die Quantum Supremacy verkündete, arbeitete mit 53 Qubits, inzwischen soll man bei 72 Qubits angekommen sein. «Ein Quantencomputer mit 300 Qubits wäre gleich mächtig wie ein Computer, der jedes Atom im Universum als eine Speicherzelle verwendet», sagt Peter Zoller, Professor an der Universität Innsbruck.

Breite Anwendungsmöglichkeiten

Die Anwendungsmöglichkeiten der neuen Technologie sind ebenso verlockend wie breit: «Ich kann mir keine Industrie vorstellen, die nicht betroffen ist!», sagt Google-Mann Hidary.

Noch gewaltiger dürften die sekundären Auswirkungen sein. Das Internet hat eigentlich nur Computer miteinander verbunden – und dennoch die Gesellschaft in fast allen Bereichen verändert: Wie wir arbeiten, einkaufen, Medien konsumieren, daten usw. Ähnlich dürfte es mit Quantencomputing sein: «Wir können noch nicht sehen, was alles passieren wird, aber die Auswirkungen werden riesig sein!», sagt Ian Walmsley, Professor für Experimentalphysik am Imperial College London.

Zahlreiche Förderprogramme lanciert

Kein Wunder, ist ein Wettlauf der Nationen um die Technologieführerschaft entbrannt: Die EU legte bereits im Herbst 2017 ein Förderprogramm über zehn Jahre auf und lässt sich das eine Milliarde Euro kosten. Die deutsche Regierung stellt für die nächsten zwei Jahre noch einmal 650 Millionen zur Verfügung. Der US-Kongress hat Forschungsgelder in Höhe von 1,3 Milliarden Dollar beantragt, und China investiert gar zehn Milliarden Dollar in ein nationales Quantenlabor, das dieses Jahr fertiggestellt werden soll.

Auch die Privatindustrie hat die kleinen Teilchen als grosse Hoffnung entdeckt: In den letzten drei Jahren wurden weltweit 650 Millionen Dollar in Quanten-Start-ups gesteckt, die ganz unterschiedliche technologische Ansätze verfolgen. Die üblichen Verdächtigen sind sowieso im Rennen: Google, Amazon, Microsoft, IBM und Alibaba geben dem Thema höchste strategische Priorität.

Schweiz ist gut positioniert

Die Schweiz ist vorne mit dabei: In Rüschlikon beschäftigen sich rund 30 Wissenschaftler mit dem Thema, das Labor hat innerhalb von IBM die weltweite Führungsrolle bei Quantenanwendungen im Bereich Finanzen und Optimierung. Die ETH betreibt mit Microsoft ein gemeinsames Entwicklungszentrum, der Softwarekonzern finanziert 15 Doktoranden an der EPFL und der ETH. Drei weitere Forscher sitzen im Zürcher Stadtzentrum, eine Entwicklungsgruppe in Wollishofen.

Auch das Forschungslabor am Microsoft-Hauptsitz in Redmond, wo 260 Forscher und Ingenieure am Thema arbeiten, wird von einem Ex-ETHler geleitet: Donald Kossmann, in der Schweizer Start-up-Szene auch als Mitgründer von Teralytics bekannt. Er hat zahlreiche Universitätskollegen nach Redmond geholt: «Wir haben hier ebenso grosse Freiheiten zu forschen wie an der Uni, aber mehr Mittel», sagt Kossmann. «Und die Forschungskultur ist ähnlich: Wir wollen an Technologien arbeiten, die die Welt verändern.»

In Zürich an der ETH sind derzeit 18 Forschungsgruppen mit über 200 Forschenden im Bereich Quantencomputing tätig. Beim EU-Förderprogramm ist die ETH in 6 der 20 Projekte mit dabei. Seit Kurzem bietet sie sogar einen Masterstudiengang in Quantum Engineering an, derzeit sind 25 Studenten eingeschrieben.

Auch Google will mit den beiden technischen Hochschulen zusammenarbeiten: «Die Schweiz ist gut positioniert bei dem Thema, weil sie die Bedeutung schon früh erkannt hat», sagt Hidary und lobt auch die Universität Genf mit ihrem Spin-off ID Quantique (siehe «Sensoren und Kommunikation» unten): «Aber jedes Land muss jetzt seine Anstrengungen noch einmal verdoppeln, auch um genug Spezialisten auszubilden.»

Anwendungen stecken noch in den Kinderschuhen

36 Prozent aller Konzerne werden sich des Themas Quantencomputing in den nächsten zwei Jahren annehmen, so eine WEF-Studie.

Bisher stecken die praktischen Anwendungen freilich noch in den Kinderschuhen: Mercedes und Volkswagen arbeiten mit Quantenhilfe an der Entwicklung von Batterien für Elektroautos. Der Wolfsburger Konzern forscht zudem an der Steuerung von Verkehrsflüssen: Vorletzten November hat er während der Digitalkonferenz Web Summit in Lissabon die schnellste Route für Busse durch die Staus der überfüllten Innenstadt und den gezielten Einsatz von Zusatzbussen berechnen lassen. Mehrere tausend Passagiere sollen so während des Grossereignisses schneller ans Ziel gelangt sein.

VW will das System nun zur Marktreife entwickeln und visiert Verkehrsbetriebe als Kunden an. Die Investmentbank J.P. Morgan forscht in Zusammenarbeit mit IBM daran, wie Quantencomputer finanzielle Risiken berechnen können.

Die Unternehmen Merck, Honda, Barclays und Samsung gehören ebenfalls zu den Early Adopters. Hauptsächlich geht es darum, Erfahrungen mit der Programmierung von Quantenrechnern zu sammeln, denn auch die Softwarearchitektur unterscheidet sich grundlegend von jener klassischer Computer.

Auch ABB befasst sich mit Quantentechnologie

«Ich kenne aktuell keine Unternehmen, die über den Forschungscharakter hinaus Quantencomputer einsetzen», sagt Claus Herbolzheimer, Leiter Digitales beim Beratungsunternehmen Oliver Wyman: «Vom regelmässigen Einsatz in echten Anwendungsfeldern sind wir noch weit entfernt.»

Auch Microsoft-Forscher Kossmann sagt: «Es gibt heute keine seriöse Anwendung, die auf dem Quantenrechner läuft.»

So ist auch ABB erst ganz am Anfang: Chief Digital Officer Guido Jouret stellt gerade ein kleines Team von Spezialisten zusammen, das irgendwann auf 100 Mitarbeiter anwachsen soll. «Als Erstes müssen wir passende Probleme finden, die wir mit Quantentechnologie angehen können», sagt er. Jouret hofft, eines Tages die Entwicklung von Transformatoren und Isolatoren mit Quantenhilfe dramatisch beschleunigen zu können.

Subatomare Teilchen sind wahre Sensibelchen

Eines Tages, denn momentan sind die technischen Probleme noch gewaltig. Zum einen muss der Quantencomputer im Betrieb auf –273 Grad heruntergekühlt werden, eine Temperatur, kälter als im Weltall und nur ein paar Milligrad über dem absoluten Nullpunkt. Zudem muss der Rechner penibel von Licht, Lärm, Vibrationen und elektromagnetischen Spannungen abgeschirmt sein. «So eine Umgebung hat nicht jedes Unternehmen zu Hause stehen», sagt Herbolzheimer.

Denn die subatomaren Teilchen sind wahre Sensibelchen: Ihr Zustand ist sehr flüchtig und ändert sich bisweilen schon allein durch die Betrachtung. Dass der Google-Durchbruch mit 53 Qubits erreicht wurde, obwohl das Gerät eigentlich 54 zur Verfügung gehabt hätte, spricht ebenfalls Bände – eine der hochempfindlichen Steuerungsleitungen ging defekt.

Schlimmer noch: Quantenrechner machen winzige Fehler, die sich summieren. Jede tausendste bis hundertste Operation ist fehlerhaft – «wenn man viel rechnet, ist das inakzeptabel hoch», sagt Matthias Troyer, der von der ETH ans Quantenlabor von Microsoft in Redmond wechselte. So kann auch der beste Quantenrechner heute nur rund 30 Millisekunden fehlerfrei laufen.

Momentan behilft man sich, indem die gleiche Operation tausendfach wiederholt und ein Rechenfehler so identifiziert wird – eine groteske Verschwendung von Rechenkapazität. «Für einen voll funktionsfähigen Quantencomputer braucht es noch Jahre», sagt Herbolzheimer.

Googles Quantenüberlegenheit ist kritisch zu sehen

Auch die von Google verkündete Quantenüberlegenheit ist kritisch zu sehen. Zum einen war das gelöste mathematische Problem ohne jegliche praktische Relevanz, zum anderen wurde der Rechner speziell für die Aufgabenstellung konstruiert. «Und ein herkömmlicher Supercomputer würde nicht zehntausend Jahre dafür brauchen, sondern circa zwei bis drei Tage, wenn man das Problem etwas smarter angeht», sagt IBM-Frau Riel.

Nicht zu Unrecht hat Google-Chef Sundar Pichai das Ereignis denn auch mit dem ersten Flug der Gebrüder Wright verglichen: Er dauerte nur zwölf Sekunden und hatte keinen praktischen Nutzen. Aber er zeigte, dass Fliegen machbar ist, und läutete das Luftfahrtzeitalter ein.

Noch viel Hype um das Thema

Noch ist also viel Hype um das Thema. «Wir können noch kein relevantes Problem mit Quantencomputing schneller oder billiger lösen als mit klassischen Computern», sagt Torsten Hoefler, der für Microsoft und die ETH am Thema forscht: «Aus Geschäftssicht macht es keinen Sinn – keine Ahnung, wann der erste Business Case auftaucht.»

Wann Quantenrechner so allgegenwärtig werden wie heutige Data-Center, darüber gehen die Meinungen ebenso weit auseinander wie bei der Frage, wann selbstfahrende Autos die Strassen dominieren werden: Von wenigen Jahren bis zu mehreren Jahrzehnten reichen die Schätzungen.

«Für einen universell anwendbaren Quantencomputer sind 30 Jahre keine unrealistische Zeitspanne», sagt gar John Preskill vom California Institute of Technology, der den Begriff «Quantum Supremacy» prägte. Derzeit scheint Quantencomputing also ähnliche Charakteristiken zu haben wie ein Qubit: Es ist da, zugleich aber auch nicht.