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„Die Quantenrechnerei zieht viel Interesse nach sich, aber auch falsche Erwartungen“

Die erste Einstein Research Unit der Berlin University Alliance erforscht das Potenzial von Quantencomputern

18.11.2021


Quantenrechner können bestimmte Probleme weitaus schneller lösen als herkömmliche Rechner.

Quantenrechner können bestimmte Probleme weitaus schneller lösen als herkömmliche Rechner.
Bildquelle: Humboldt-Universität zu Berlin / Andreas Süß

Quantencomputer gelten als eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Sie sollen die rechnerische Leistung von Computern revolutionieren. Von ihnen erhoffen sich Forschende außerdem neue Erkenntnisse in der Wissenschaft, zum Beispiel in der Hochenergiephysik oder in der Quantenchemie. Doch wofür genau werden sich Quantencomputer einsetzen lassen und wie können diese aussehen? Damit beschäftigt sich das interdisziplinäre Forschungsteam der ersten Einstein Research Unit (ERU) der Berlin University Alliance „Perspectives of a quantum digital transformation: Near-term quantum computational devices and quantum processors“. Professor Jens Eisert ist einer der Hauptantragsteller. Er forscht als Physiker und Mathematiker an der Freien Universität Berlin.

Prof. Dr. Jens Eisert, Institut für Theoretische Physik der Freien Universität Berlin

Prof. Dr. Jens Eisert, Institut für Theoretische Physik der Freien Universität Berlin
Bildquelle: privat

Herr Eisert, für viele ist Quantencomputing ein abstraktes Stichwort. Können Sie kurz erklären, worum es genau geht?

Zunächst mal: Quantencomputer sind Computer. Sie lösen dieselbe Art von mathematischen Problemen wie herkömmliche Rechner. Aber Quantenrechner können bestimmte Probleme weitaus schneller lösen. Bestimmte mathematische Probleme sind so aufwendig, dass es völlig unrealistisch ist, diese in verträglicher Zeit auf herkömmlichen Rechnern zu lösen.

Ein Beispiel: Zwei Zahlen, selbst große Zahlen, kann man mit Papier und Bleistift multiplizieren. Wenn ich aber ein Produkt von zwei großen Zahlen nehme und herausbekommen möchte, welche Zahlen multipliziert wurden, wird es schwierig. Der beste bekannte Algorithmus braucht dafür eine Zeit, die exponentiell mit der Länge der Eingabe wächst. Das ist eine praktisch unmögliche Aufgabe. Ein Quantenrechner kann sie jedoch schnell lösen. Das macht es so spannend. Im Gegensatz zu einem klassischen Computer behandelt er Informationen auf Basis von quantenmechanischen Gesetzen. Das bedeutet, dass Speicherinhalte auf diesen Computern gewissermaßen mehrere, überlagerte Werte gleichzeitig enthalten können, auf die sich Rechenbefehle simultan auswirken. Daher ist der Quantenrechner für bestimmte Probleme ein Superrechner, der Aufgaben nicht nur schneller löst, sondern auf neuartige Weise, durch eine grundsätzlich andere Art von Rechnung, die an den Grundfesten rüttelt von dem, was Rechnung heißt.

Wie weit ist die Entwicklung von Quantencomputern? Wie sieht es in der deutschen Forschungslandschaft aus?

Anwendungsbereite Quantenrechner gibt es noch überhaupt nicht. Die Idee dieser Rechner ist nicht neu, sie stammt aus den 1980er Jahren. Sie existierte vor allem als extrem inspirierendes Gedankenmodell. Das hat zum Beispiel einen neuen Blickwinkel geboten, um die Quantenphysik zu betrachten. Neuartige Simulationsalgorithmen, sogenannte Tensornetzwerkmethoden in der Festkörperphysik, sind tatsächlich inspiriert von Ideen des Quantenrechnens. Erst in jüngerer Zeit wurde versucht, solche Geräte wirklich zu bauen. Diese Entwicklung wurde stark vorangetrieben durch die Quantenindustrie und US-amerikanische Firmen wie Google IBM, Rigetti und PsiQuantum. Die Entwicklung ist rapide und extrem interessant.

Im Rahmen unserer Forschungsgruppe an der Freien Universität Berlin arbeiten wir mit Google AI zusammen und haben deren Chip in seiner Qualität charakterisiert: Wir haben also verstanden, wie genau die verschiedenen Anteile dieses Chips funktionieren. Und dieser Chip ist kein kleiner: Er umfasst immerhin schon 53 Qubits – das ist nicht schlecht. Qubits sind die kleinsten Rechen- und Speichereinheiten von Quantencomputern. Vor Kurzem gab es erst Chips mit drei bis fünf Qubits; die nächste Generation wird offenbar tausende haben. Damit kann man dann schon Anwendungen machen, die aller Erwartung nach praktisch relevant sein könnten. In der Forschung erhofft man sich, dass solche Systemgrößen schon ausreichend sind, um interessante Anwendungen jenseits der Möglichkeiten von klassischen Rechnern auszuloten. Welche dies genau sind, ist auch eine der Aufgaben, mit der sich die ERU Quantum befassen wird.

Welchen Fragen wollen Sie sich mit der ERU Quantum konkret widmen?

Quantencomputing ist in aller Munde, aber wir stellen die Frage: Für was kann man Quantenrechner wirklich einsetzen? Wir wollen genau, vorbehaltlos und ohne Hype hinschauen, welche Aufgaben sich wirklich dafür eignen. Leute überhäufen uns mit Problemen wie dem Routing von Flugplänen oder Autoherstellungsplänen und wollen das auf dem Quantenrechner schneller machen. Allerdings kann dieser nur ganz bestimmte, stark strukturierte Aufgaben lösen. Welche sind also realistisch besser zu lösen als mit klassischen Rechnern?

In diesem Zusammenhang stellen wir auch eine experimentelle Frage: Wie kann man Teile von Quantenrechnern mit quantenoptischen Architekturen bauen, also mithilfe von Licht? Solche experimentellen Plattformen werden prominent in Berlin untersucht, und so ist es nur folgerichtig, solche Ansätze zu verfolgen.

Die Quantenrechnerei zieht viel Interesse nach sich, aber auch falsche Erwartungen. Wir verfolgen einen extrem interdisziplinären Ansatz. Da kann Berlin ganz viel leisten: Bei uns kommen Expertinnen und Experten aus der Informatik, der Signalverarbeitung und dem Maschinenlernen zusammen. Das ist ein Alleinstellungsmerkmal.

Sie haben die erste Einstein Research Unit der BUA eingeworben. Warum eignet sich das Format besonders für ihr Forschungsvorhaben?

Das explorative Format der ERU erlaubt, auf frische Art neue Fragen zu stellen, und passt gut zu unserem Projekt, ebenso wie der Fokus auf Interdisziplinarität. Der zeitliche Rahmen könnte allerdings deutlich länger sein. Forschung sollte nachhaltig angelegt sein und wir streben an, dass Projekt auch nach Ablauf der zwei Jahre fortzuführen.

Was ist für Sie persönlich spannend an diesem Format?

Ich finde das Interdisziplinäre spannend. Maschinenlernen ist ein Trend-Thema, Quantenrechnen nun auch. Das schreit danach, die beiden Disziplinen zu verbinden. Gibt es einen Quantenvorteil dabei? Das kann heißen, dass das Problem schneller gerechnet wird oder dass man für die Rechnung weniger Daten braucht. Wir haben gezeigt: Tatsächlich gibt es Quanten-Maschinenlernen, und es gibt Fälle, in denen der Quantenrechner exponentiell schneller rechnet als ein klassischer Rechner. Das ist ziemlich cool!

Leider ist das Ganze noch nicht so praktisch, wie wir Forscherinnen und Forscher es uns erhoffen, aber es ist ein erster, wichtiger Schritt. Das war nur möglich, weil wir mit dem Einstein-Professor und Informatiker an der Technischen Universität Berlin Jean-Pierre Seifert, der ebenfalls Hauptantragsteller der ERU Quantum ist, die Köpfe zusammengesteckt und überlegt haben, wie man beide Disziplinen verbinden kann. Das ist auch das Tolle in Berlin: Für jedes kuriose Fach gibt es eine Spezialistin oder einen Spezialisten. Das hätte keiner von uns alleine gekonnt. Das macht die ERU aus: Wir haben Expertise aus ungewohnten Perspektiven und können frische Beiträge leisten.

Einstein Research Unit „Perspectives of a quantum digital transformation: Near-term quantum computational devices and quantum processors“

Einstein Research Units sollen Forschungsverbünde in strategisch bedeutenden Bereichen der Berlin University Alliance (BUA) aufbauen. Die Einstein Research Unit zum Thema Quantencomputing wird mit sechs Millionen Euro für zunächst drei Jahre gefördert. Das interdisziplinäre Forschungsteam der Verbundpartnerinnen Freie Universität Berlin, Humboldt-Universität zu Berlin, Technische Universität Berlin und Charité – Universitätsmedizin Berlin hat es sich zur Aufgabe gemacht, Anwendungsszenarien für Quantencomputer zu bestimmen, zu erforschen und an deren Entwicklung mitzuwirken.

Die zweite Einstein Research Unit der BUA „Climate and Water under Change“ (CliWaC) hat es sich zur Aufgabe gemacht, das durch den Klimawandel verursachte Risiko von Wasserverfügbarkeit und -qualität am Beispiel der stark von Wasserknappheit betroffenen Region Berlin-Brandenburg zu erforschen. Gemeinsam mit Gesellschaft, Verwaltung, Wirtschaft und Politik will das interdisziplinäre Forschungsteam Lösungen für eine nachhaltige Bewirtschaftung von Wasserressourcen finden.

Die Fragen stellte Ina Friebe