Forschung Trends
Bild: RNF
IBM-Forscher Stefan Filipp mit einem "betagteren" Quantenprozessor mit wenigen Qubits.
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Neues aus den IBM-Laboren

Die Quantencomputer kommen

Erste kommerzielle Anwendungen des sagenumwobenen Quantencomputers sind in greifbare Nähe gerückt. Doch bis es soweit ist, stellen sich die Forscher unter anderem folgende elementare Frage: Wofür können wir ihn überhaupt einsetzen?

von: Rudolf Felser

Mit Quantencomputern sind viele Hoffnungen verbunden. Sie sollen einmal dazu dienen, sehr komplexe Probleme, mit denen klassische Computer überfordert sind, in kurzer Zeit zu lösen. Bis es soweit ist, wird es aber noch einige Zeit dauern. 

IBM forscht bereits seit 1981 an Quantentechnologien, doch erst in den letzten Jahren haben "Big Blue" und andere Unternehmen sowie Forschungseinrichtungen große Fortschritte erzielt, die eine praktische Anwendung von Quantencomputern in greifbare Nähe rücken lassen.  

Auf Einladung der heimischen IBM-Niederlassung informierte am 12. Jänner der aus Österreich stammende Quantencomputer-Forscher Dr. Stefan Filipp über den aktuellen Stand der Entwicklungen in Sachen der IBM Q Quantensysteme – direkt aus dem Züricher Labor von IBM Research, wo er seit September 2015 seinen weißen Kittel hängen hat. Davor forschte er am Watson Research Center in New York an supraleitenden Schaltkreisen für Quantencomputing. 

Knoten im Gehirn

Der Versuch, die Grundlagen des Quantencomputings zu verstehen, hinterlässt den interessierten Laien oft mit einem Knoten im Gehirn. Schließlich unterscheiden sich die Grundlagen deutlich von jenen des klassischen Computings – und schon die sind nicht unbedingt einfach zu behirnen.  

Herkömmliche Rechner übersetzen die Welt bekanntermaßen in zwei Zustände, die das einzelne Bit als kleinste Computing-Einheit annehmen kann: 1 und 0, Strom oder kein Strom. Das ist ihre große Stärke, aber zugleich auch ihr Manko. Außer Null oder Eins existiert in diesen Systemen nichts.  

Quanten-Bits – oder Qubits – haben diese Einschränkung nicht. Ein Qubit besteht zum Beispiel aus einem Atom, Elektron oder Photon, also einem einzelnen Teilchen. Damit unterliegen Qubits der Quantenphysik. Sie können beispielsweise neben den Zuständen 0 und 1 auch beide Zustände gleichzeitig annehmen. Diese besondere Eigenschaft wird als Superposition bezeichnet. Die zweite wichtige Eigenschaft ist, dass mehrere Qubits miteinander durch die sogenannte Quantenverschränkung agieren können. Dabei lässt sich der kombinierte Gesamtzustand mehrerer Qubits beschreiben, aber nicht mehr durch Kombination der einzelnen Qubits definieren. Anhand dieser beiden Eigenschaften der Quantenphysik, Superposition und Verschränkung, lassen sich Quantencomputer realisieren, die bestimmte Berechnungen um ein Vielfaches schneller als konventionelle Computer durchführen können. Verstanden? Macht nichts! Vielleicht hilft das folgende Video.

Die heutigen Systeme reagieren jedoch noch sehr empfindlich auf äußere Störfaktoren, wie Wärme oder Vibrationen. Jedes "freie" Teilchen von außerhalb des Systems kann die hochkomplizierte Rechenmaschine aus dem Takt bringen. Deshalb werden die Quantencomputer in den IBM-Laboren in New York und Zürich auf rund minus 273 Grad Celsius, fast bis zum absoluten Nullpunkt, abgekühlt.  

Wir sind auf Stufe 1 

Auf dem Weg zum Ziel, dem universellen, fehlertoleranten Quantencomputer, den man sowohl wie einen herkömmlichen Computer, aber eben auch für das Quantencomputing nutzen kann, stehen wir noch am Anfang. IBM definiert drei Stufen: 

Systeme mit 50 bis 100 Qubits sind für die Demonstration der Vorteile von Quantencomputing und für das Lernen über die Technologie nützlich. Solche Systeme gibt es schon heute. 

Darauf folgen hybride Systeme, quasi herkömmliche Computer mit einem "Quanten-Co-Prozessor" mit 100 bis 1.000 Qubits. Hier könnten erste kommerzielle Anwendungen schon in zwei bis fünf Jahren sichtbar sein.  

Die universellen, fehlertoleranten Quantencomputer mit einer bis 10 Mio. Qubits sind das Ziel. Wann es erreicht werden kann ist ungewiss. IBM-Forscher Stefan Filipp rechnet jedoch mit mindestens einer Dekade.  

Was das Verständnis von Quantencomputing ebenfalls erschwert, ist, dass selbst in der Theorie konkrete und greifbare Anwendungsbeispiele noch Mangelware sind. Ein nicht unwesentlicher Teil der Forschung beschäftigt sich daher mit der Frage, wofür solche Systeme sich in Zukunft einsetzen lassen werden.  

Im weltweiten IBM Q Network forschen und entwickeln Industrie und Wissenschaft gemeinsam an ersten kommerziellen Anwendungen der Quantentechnologie. Das Network wurde kürzlich gemeinsam mit 12 weltweit führenden Unternehmen, Wissenschaftsinstitutionen sowie nationalen Forschungslabors gegründet, unter ihnen beispielsweise JP Morgan Chase, Daimler AG und Samsung. "Mithilfe der branchenspezifischen Expertise unser Kunden wollen wir in gemeinsamer Kooperation die Forschung der Quantensysteme vorantreiben und bisher nicht lösbare Probleme, beispielsweise in der Finanz-, Automobil- oder Chemiebranche, identifizieren und aktiv angehen", so Stefan Filipp.

Bild: IBM Research
Ein Quantenprozessor von IBM mit 16 Qubits
Bild: IBM Research

IBM stellt dafür in der Cloud seinen heute modernsten universellen Quantenrechner bereit, ein IBM Q System mit 20 Qubits. Einen Prototypen eines Prozessors mit 50 Qubits hat IBM bereits gebaut und getestet, er soll in der nächsten Generation der IBM Q Systeme verfügbar sein. Aber nicht nur diese 12 Partner, sondern alle interessierten Personen und Institutionen können über das Internet mit den Quantencomputern "herumspielen". Dazu wurde 2016 die IBM Quantum Experience gestartet. Seitdem haben 65.000 User insgesamt rund 2,1 Mio. Experimente durchgeführt. Wissenschaftler aus über 100 Ländern haben die Lernangebote genutzt und mehr als 35 wissenschaftliche Arbeiten und Artikel von Dritten sind dazu bereits veröffentlicht worden. 

IBM Q Award 

IBM Research startet mit 15. Jänner außerdem eine neue Award-Reihe für Professoren, Dozenten und Studenten, die IBM Q Experience und das Software Development Kit QISKit (eine Programmierumgebung, um den Quantencomputer auf aus der IT gewohnte Art Anweisungen erteilen zu können) im Unterricht oder für ihre Forschung nutzen. Die Preise werden in vier Kategorien vergeben: Für die Entwicklung von Kursmaterialien für eine Vortragsreihe, für den Bau von Jupyter Notebook Tutorials mit QISKit, für die Veröffentlichung einer wissenschaftlichen Arbeit mit Nutzung von QISKit sowie für das Einbringen spezifischer Codemodule in das QISKit SDK.

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