Hätten wir bereits heute leistungsfähige Quantencomputer im Realeinsatz zur Verfügung, so wäre der Umgang mit der aktuellen Pandemie in all seinen 
Facetten deutlich leichter beherrschbar. Insbesondere bei der Entwicklung neuer Wirkstoffe und Pharmazieprodukte, aber auch beim Verlauf einer Pandemie könnte mit der Höchstleistung des Quantencomputing schnell Licht ins Dunkel gebracht werden. Wozu Labore Monate oder Jahre benötigen, könnte in Form von Simulationen und Berechnungen innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums durchgespielt und die besten Optionen angeboten werden.

Noch sind wir nicht so weit. Doch die Fortschritte beim Quantencomputing sind gewaltig. Der amerikanische Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynman sprach Anfang der 1980er-Jahre von Quantencomputern als effektive Werkzeuge, um die Herausforderungen der Physik und Chemie zu lösen. Seiner Meinung nach würden die Kosten für die Lösung von quanten-basierten Problemstellungen mittels herkömmlicher Rechnerarchitekturen exponentiell steigen und wären damit weder wirtschaftlich noch realistisch in der Umsetzung. Feynman wäre wohl auch über die Covid-19-Pandemie als reale und nicht fiktive Problemstellung überrascht gewesen.

»Durch Quantum Computing können insbesondere Simula­tionen und Berechnungen ­enorm beschleunigt werden«

Tatsächlich ist das von Intel-Gründer Gordon Moore erfundene Prinzip des Moore‘s Law, wonach sich die Anzahl der Transistoren auf einem Microchip alle 24 Monate verdoppelt, zuletzt ins Wanken geraten. Über speziell konfigurierte Hochleistungschips wie FPGAs und GPUs, aber auch durch neue Fertigungs-methoden in der Lithografie werden zwar kontinuierlich Fortschritte in der Leistungsfähigkeit der Hardware erzielt; auch macht inzwischen die Software-Algorithmik große Fortschritte und treibt in Kombination mit raffinierter Hardware die Leistungsfähigkeit des IT-Gesamtpakets voran. Doch echte Quantensprünge der konventionellen Hardware-Entwicklung sind nicht mehr selbstverständlich und unter hohen Aufwänden erkauft.

Quantum Supremacy – Quanten-­Überlegenheit

Im Herbst letzten Jahres war es so weit: Google vermeldete erstmals, dass es im Rahmen eines speziellen Rechenexperiments, zu dem ein herkömmlicher Rechner 10.000 Jahre gebraucht hätte, die Quanten-Überlegenheit (Quantum Supremacy) nachweisen konnte: Das Rechenexperiment auf dem mit 53 Qubits (Quantenbits) bestückten Google-Spezialprozessor Sycamore konnte die komplexe Berechnung in 200 s durchführen. Die Nachricht ging um die Welt und war eine Top-Schlagzeile für viele Medien und Zeitungen, was deren Bedeutung zum Ausdruck brachte. Noch bedarf es spezieller Labor-umgebungen, um die widerspenstigen Qubits bei Laune zu halten. Vor allem viel Kühl-Energie ist notwendig, um die speziellen Bedingungen zu schaffen: Die Quantencomputer erinnern in ihrem Aufbau in Größe und Statur den frühen Großrechnern zu Zeiten Konrad Zuses.

Quantenfehlerkorrektur – der Weg zu Moore’s Law für Quantencomputing

Der ‚Solactive Quantum Computing Index‘ ist der weltweit erste Finanzindex zum Thema Quantum Computing. Die Zeichnungsperiode für Anleger läuft vom 08.06. – 26.06.2020. Die Erstnotiz erfolgt zum 29.06.2020. Er beinhaltet insgesamt 20 führende Unternehmen aus den Segmenten Hardware, Software und wichtigste Anwendungsfelder mit dem größten Potenzial. Basis ist ein Quantum Computing Scoring Index, der anhand der Anzahl an Patenten, Start-up-Beteiligungen und Finanzkennziffern ermittelt wird.

© Bloomberg

Eine Schlüsselannahme – die der Theorie der Quantenfehlerkorrektur zugrunde liegt – ist, dass Quantenzustandsfehler als digitalisiert und lokalisiert betrachtet werden können. Um erfolgreich durch ein digitalisiertes Fehlermodell beschrieben werden zu können, sollte ein System wenig korrelierte Fehler aufweisen. Die Google-Wissenschaftler betonen in ihrer Veröffentlichung zur Quantum Supremacy, dass sie Schaltungen wählen, die Fehler randomisieren und dekorrelieren, indem sie die Steuerung optimieren, um systematische Fehler und Leckagen zu minimieren, und indem sie Gatter entwerfen, die viel leistungsfähiger sind.

Was aufhorchen lässt: Die Forscher gehen davon aus, dass die Quantum-Computing-Rechenleistung weiterhin mit einer doppelt exponentiellen Rate wachsen wird. Demzufolge werden die Hardware-Fortschritte aller Wahrscheinlichkeit nach einem Quantenprozessor-Äquivalent des Moore‘schen Gesetzes folgen und damit das Rechenvolumen alle paar Jahre verdoppeln. Um quasi den Quantenmotor voll aufzudrehen und die volle Rechenleistungs-fähigkeit an den Start zu bringen, müssen allerdings noch große Anstrengungen in die Technik der Quantenfehlerkorrektur unternommen werden.

Gigantisches Wertschöpfungspotenzial

Die Strategieberatung McKinsey schätzt den Markt für Quantumcomputing und die damit verbundenen Technologien bis 2035 auf eine Billion Dollar. Grundvoraussetzung dafür ist nach Aussage der Berater aber eine produktive Nutzung von Quantencomputern. Neben der Bändigung der Hardware bedarf es auf der Software-Seite neuer Plattformen, Kernel und Programmier-sprachen. Inzwischen haben die führenden Internet-Konzerne wie Google mit Tensor Flow für Quantum Computing, IBM mit ihrer Softwareplattform Qiskit oder Microsoft mit seiner speziell für Quantencomputer entwickelten Programmiersprachde Q# wichtige Software Frameworks entwickelt. IBM bietet sogar einen kostenfreien Zugang für Entwickler auf seine Qiskit-Systeme an. Auch der chinesische Suchmaschinenkonzern Baidu steht dem nicht nach und bietet seit Kurzem mit seiner Machine-Learning-Umgebung ‚Paddle Quantum‘ Software-Entwicklern eine weitere Alternative an. 
Sind es damit schon wieder die USA und China, die nach der künstlichen Intelligenz auch schon die Pflöcke bei der nächsten wichtigen Technologie, dem Quantencomputing, einrammen und den Europäern wieder mal die Rücklichter zeigen?

Thomas Rappold ist Finanz-/Börsen­experte, Buchautor (Silicon Valley Investing) und Gründer zahlreicher Internet-Start-ups.

© Thomas Rappold

Hoffnung macht die Tatsache, dass die Europäische Union mit ihrer „Quantum Technologies Flagship Initiative“ innerhalb der nächsten zehn Jahre rund 1 Mrd. Euro für die Quantenbereiche Kommunikation, Simulation, Computing sowie Meteorologie und Sensorik locker machen wird. Die Fraunhofer-Gesellschaft unter Führung von Prof. Reimund Neugebauer spielt für Deutschland darin eine Schlüsselrolle.

IBM stellt dafür einen eigenen Quantencomputer in deren Zentrale im schwäbischen Ehningen für anwendungsgetriebene Forschungsprojekte zur Verfügung. »Die Verbindung von Quanten und Künstlicher Intelligenz wird nicht weniger sein als eine zukünftige Schlüsseltechnologie, die unsere Wettbewerbsfähigkeit in den internationalen Hightech-Märkten absichern wird«, so Neugebauer. Prof. Manfred Hauswirth, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Offene Kommunikationssysteme, ist der Meinung, dass wir in Europa und speziell Deutschland in einer sehr guten Ausgangsposition sind. Grund dafür sei das „tiefe Anwendungsverständnis“ und die Kenntnis „großer Produktions- und Branchenprozesse“ inklusive der „Expertise im Bereich quantenphysikalischer Prozesse“. Durch Quantum Computing können insbesondere Simulationen und Berechnungen enorm beschleunigt werden. Das meiste Potenzial versprechen die Sektoren Finanzen (Optimierung von Portfolios), Material- und Energieforschung, Mobility und Transport (Neuartige Verkehrssimulationen) sowie Pharma- und Medizinforschung (Neue Medikamente, Wirkstoffe, Pandemievorhersagen).

Wettlauf der Nationen um Vormacht­stellung

Donald Trump mit seiner ‚Amerika First‘-Politik sieht in der Raumfahrt und im Quantencomputing die beiden Spitzentechnologien im Kampf mit China um die Vormachtstellung in der Welt. Europa und insbesondere Deutschland tun gut daran, massiv in die Quantencomputing-Anwendungsfelder zu investieren. Bei den mannigfaltigen Herausforderungen der deutschen Industrie in den Feldern Digitalisierung und Neuer (Elektro-)Mobilität könnte sich das Quantencomputing mittelfristig als entscheidender Lösungsschlüssel er­weisen.