Quantencomputer

Quantencomputer arbeiten nicht eine mögliche Lösung nach der anderen ab, sondern stellen alle möglichen Lösungen gleichzeitig dar – ein Riesenvorteil für die Industrie. - Bild: Andrew Ostrovsky - Adobe Stock

Probleme lassen sich nie mit derselben Denkweise lösen, durch die sie entstanden sind. So viel stand für Albert Einstein fest. Auch Ingenieure wissen: Wenn sie Herausforderungen wie die Rettung des Klimas oder die Überlastung der Infrastruktur in Ballungsräumen bewältigen wollen, müssen sie die Logik verlassen, die diese Probleme hat entstehen lassen. Auch der Aufbau einer ressourcenschonenden, vernetzten Wirtschaft erfordert neue Denkansätze – und Werkzeuge, die mehr leisten, als die heute verfügbaren.

Quantencomputer stellen alle Lösungen gleichzeitig dar

Quantencomputer könnten diese Unterstützung bieten und schon bald Probleme lösen, an denen klassische Rechner scheitern. Anders als binäre Computer überprüfen sie nicht eine mögliche Lösung für ein Problem nach der anderen. Vielmehr stellen sie alle denkbaren Lösungen gleichzeitig dar und können so unschlagbar schnell jene aussortieren, die nicht infrage kommen. Zugleich finden sie anders als klassische Rechner nicht nur eine Lösung, die nahe an der bestmöglichen liegt, sondern die optimale Antwort auf die gestellte Frage. Somit steigt mit Quantenrechnern die Lösungsgüte. Zugleich brauchen Unternehmen mit ihnen bald immer weniger Zeit und finanzielle Mittel, um neue Werkstoffe zu entwickeln oder Montagelinien zu planen.

Allerdings spielen die Wunderrechner ihre Stärken bislang vor allem bei Optimierungsproblemen aus. Davon jedoch gibt es genug. „Ein Großteil der Probleme, die es in der digitalisierten, vernetzten Welt zu lösen gilt, sind diskrete Optimierungsprobleme“, bestätigt Dr. Alfred Geiger, Leiter der Abteilung Scientific Computing bei T-Systems. So gehe es bei der Entwicklung neuer Antriebe oder Technologien für das autonome Fahren längerfristig nicht nur um das einzelne Auto, sondern darum, dieses in ein Mobilitätskonzept einzubinden, das sowohl die natürlichen Ressourcen als auch die Verkehrsinfrastruktur optimal nutzt. Bei der Erzeugung erneuerbarer Energie gehe es nicht nur um Windräder und Solarparks, sondern darum, den Strom optimal in die Netze einzuspeisen und deren Auslastung mit dem Bedarf der Verbraucher abzugleichen.

Nur einige Anwendungen: Optimierung, 3D-Druck, Materialforschung

Beim 3D-Druck lösen Quantencomputer bereits Optimierungsprobleme in der Industrie. „Heiß gedruckte Teile verformen sich, wenn sie abkühlen“, erklärt Geiger von T-Systems. „Deshalb müssen sie so gedruckt werden, dass der Verformungsprozess vorweggenommen wird.“ Eine optimale Lösung dieses Problems lasse sich nur mit Quantencomputern finden. „Auch im Bereich der Künstlichen Intelligenz und damit in vielen Anwendungen der Industrie 
4.0 bearbeiten Algorithmen Optimierungsprobleme“, ergänzt Professor Tommaso Calarco, Direktor des Institute for Quantum Control am Forschungszentrum (FZ) Jülich.

Daneben, so der Physiker, ließen sich mit Quantencomputern in der Chemie und Materialforschung komplexe molekulare Strukturen simulieren. Da dies eine Rechenleistung erfordert, die selbst binäre Supercomputer nicht aufbringen, können Wissenschaftler mit Quantenrechnern erheblich mehr Hypothesen zum Verhalten neuer Materialien unter bestimmten Bedingungen untersuchen, als ihnen bislang möglich war. Das ist besonders bei der Entwicklung neuer Batterien für die Elektromobilität interessant. Bislang überprüfen Forscher ihre Annahmen dabei mit Prototypen. Künftig könnte ein Quantencomputer berechnen, wie ein Akku zusammengesetzt sein muss, um zugleich möglichst leicht, langlebig und leistungsfähig zu sein. Volkswagen erwartet daher, mit Quantenrechnern schneller den Weg vom Diesel ins E-Zeitalter zu finden.

BMW errechnet mit Quantencomputern die optimalen Arbeitswege von Robotern beim Abdichten von Schweißnähten.
Quantenoptimiert: BMW errechnet mit Quantencomputern die optimalen Arbeitswege von Robotern beim Abdichten von Schweißnähten. - Bild: BMW

Von Bosch bis VW: Arbeitskreis Quantencomputing ist prominent besetzt

Der Autobauer ist nicht das einzige Unternehmen, das auf die Rechenpower der Quanten setzt. In den USA nutzen Northrop Grumman, Lockheed Martin und Honeywell Quantenrechner in der Rüstungsforschung. „Hierzulande hat die Industrie einen Arbeitskreis zum Quantencomputing gegründet, dem neben T-Systems auch die Maschinenbauer Bosch, Siemens, Zeiss und Trumpf, der Softwarekonzern SAP sowie Airbus, BMW und Volkswagen angehören. Daimler arbeitet gemeinsam mit IBM eigenständig an dem Thema“, berichtet Geiger von T-Systems.

Airbus hat Anfang des Jahres zudem einen Wettbewerb gestartet, bei dem Wissenschaftler und Start-ups dem Luftfahrtkonzern zeigen sollen, wie sich der Übergang vom Rumpf zur Tragfläche eines Flugzeugs, dessen Steigflug, Aerodynamik und Beladung mithilfe von Quantenrechnern optimieren lassen.

Wie BMW Quantencomputer testet

Auch Autobauer BMW untersucht derzeit, ob Quantencomputer halten, was sie versprechen. In einem Pilotprojekt haben die Münchner im vergangenen Jahr berechnet, wie die Arbeitswege von Robotern verlaufen müssen, damit sie in möglichst kurzer Zeit möglichst viele Karosserie­schweißnähte mit Korrosionsschutzwachs versiegeln können.

„Solche Optimierungsprobleme gibt es beim Autobau überall, wo Roboter entlang des Fahrzeugs Wege zurücklegen und dabei Arbeitsschritte ausführen – etwa bei Schweißvorgängen oder in der Lackiererei“, erläutert Bernhard Pflugfelder, Experte für Künstliche Intelligenz und Machine Learning bei BMW. „Wenn wir solche Abläufe in einer ganzen Montagelinie mit Quantencomputern optimieren können, lassen sich künftig vielleicht die Taktzeiten verkürzen“, erwartet er.

Noch sei der technologische Reifegrad von Quantenrechnern aber zu gering, um sagen zu können, welche Produktivitätsgewinne sich mit ihnen erschließen ließen. Auch wann die Technologie reif für den routinemäßigen Einsatz ist, sei schwer absehbar. „Sobald es so weit ist, wollen wir sie aber nutzen können. Deshalb bereiten wir uns jetzt darauf vor, identifizieren geeignete Anwendungsfälle und setzen die Probleme in Algorithmen um, mit denen Quantencomputer rechnen können“, erklärt Pflugfelder.

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Wie Quantencomputer zum Zukunftsgeschäft werden

Ohne eine entsprechende Mathematik sind Quantenrechner hilflos. Sie brauchen Algorithmen, die damit klar kommen, dass sich Qubits als Träger der Information im Quantenprozessor durch das quantenphysikalische Prinzip der Überlagerung in zwei gegensätzlichen Zuständen gleichzeitig befinden und damit unterschiedliche Informationen enthalten können. Zudem bildet der Rechner nur solange alle möglichen Lösungen ab, wie seine Qubits miteinander verschränkt sind. „Wird der Zustand des Quantensystems gemessen und die Lösung für das zu berechnende Problem ausgelesen, zerfällt die Verschränkung“, erklärt Professor Calarco vom FZ Jülich. Quantenalgorithmen müssen also auch erkennen, wann Qubits mit der größten Wahrscheinlichkeit in den Zustand kollabieren, der die optimale Lösung darstellt.

Die Verschränkung kollabiert auch, wenn Qubits durch Umwelteinflüsse bei ihrer Arbeit gestört werden. Um dies zu vermeiden, kühlen Hersteller von Quantenprozessoren wie Google, IBM, Rigetti oder IonQ die Chips bis zum absoluten Nullpunkt ab. Dort bewegt sich keinerlei Materie mehr. Ströme fließen ohne Wider­stand durch supraleitende Materialien. Bei Rechnern, die nach dem Prinzip der Ionenfalle funktionieren, stellt eine Vakuumkammer die absolute Ruhe her.

„Störungsfreie Arbeitsbedingungen für Qubits zu schaffen und die Rechner immer kleiner und günstiger zu machen, ist ein Engineering-Problem“, weiß Professor Christian Bauckhage vom Fraunhofer Institut für Intelligente Analyse- und Informationssysteme. Alfred Geiger von T-Systems erwartet, dass die Hersteller der Rechner in den kommenden fünf Jahren so weitreichende Fortschritte bei der Lösung dieser Aufgabe erzielen, dass Unternehmen Mitte des kommenden Jahrzehnts bestimmte Klassen von Rechenproblemen regulär mit Quantencomputern lösen. Das ist auch das Ergebnis einer Studie des Henderson Institute der Boston Consulting Group. Demnach soll Quantencomputing als cloudbasierter Service in den kommenden fünf Jahren eine Marktdurchdringung von 70 Prozent erreichen. Bis 2030 würden Hersteller mit Quantenrechnern und dem Verkauf ihrer Rechenkapazitäten über die Cloud mehr als 50 Milliarden US-Dollar umsetzen.

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