Quantencomputer: Aus dem Labor ins Rechenzentrum

STZ, März 2021 - Quantencomputer versprechen bisher unlösbare Aufgaben zu lösen. Die heutigen Quantencomputer stecken jedoch noch in den Kinderschuhen. Das dürfte sich bald ändern. IBM will bis Ende 2023 mit der Entwicklung von Hard- und Software so weit kommen, dass Quantencomputer geeignete Aufgaben besser lösen können als konventionelle Grossrechner. IBM Fellow und Forscherin Heike Riel spricht im Interview über den aktuellen Stand und die Fortschritte bei den Quantencomputern.

 

Heike Riel, wozu brauchen wir überhaupt  Quantencomputer? 

Bisher konnte man die Leistungsfähigkeit  von herkömmlichen digitalen Computern  immer weiter erhöhen, weil man es geschafft  hat, auf der gleichen Fläche immer mehr  Transistoren unterzubringen. Das wird jedoch  immer schwieriger. Wir stossen an unumgängliche,  physikalische Grenzen, die  eine weitere Miniaturisierung der Transistoren  in Zukunft verhindern. Gleichzeitig lassen  künstliche Intelligenz, Machine Learning  und gigantische Datenmengen die Anforderungen  steigen. Beim Supercomputing beispielsweise  möchte man für komplexe Simulationen  verschiedene, ausgeklügelte  multiskalige Modelle verwenden, welche  heute gleichzeitig Daten in Simulationen generieren  und miteinander in hoher Frequenz  teilen. Darauf laufen dann gleichzeitig Machine-  Learning-Modelle, die den Fokus der  Simulation steuern, um anormale Aktivitäten  und Verhalten zu finden.  Moderne Grossrechner, wie der Supercomputer  «IBM Summit», sind für solche Aufgaben  ausgelegt. Man hat in den Rechenknoten IBM  Power-P9-Prozessoren und GPUs, also Grafikprozessoren,  mit sehr viel Speicher und  enormer Bandbreite geschickt kombiniert.  Mit dieser Architektur konnte man die Performance  signifikant erhöhen auf 200 Billiarden  Berechnungen pro Sekunde – oder 200 Petaflops  und gleichzeitig die Energiemenge, die  für die Berechnungen gebraucht wird, reduzieren.  So arbeitet man sich auf dem Weg zum  Exascale-Computer vor – also einem Computer  der 1018 Gleitkommaoperationen pro Sekunde  ausführen kann. Aber die Frage ist: Wie  können wir danach weitergehen? Es wird also  eng für klassische Computer. Darüber hinaus  gibt es mathematische Probleme, die auch ein  Exascale-Computer nicht lösen kann. Hier  kommen die Quantencomputer ins Spiel. Sie  sind nicht mehr nur Konzepte, Quantencomputer  sind Realität geworden. 

Wozu können Quantencomputer, die es  heute bereits gibt, eingesetzt werden?

Bei IBM haben wir eine Roadmap vorgelegt,  die aufzeigt, wie wir in den kommenden  drei bis vier Jahren die Prozessoren für das  Quantencomputing weiterentwickeln werden  und gleichzeitig die End-to-End-Software-  Architektur inklusive Anwendungen integrieren.  Es gibt bestimmte Klassen von Problemen,  die sich anbieten, mit Quantencomputern gelöst  zu werden. Beispielsweise die Simulation  von Molekülen und Materialien. Ein anderes  Beispiel sind Monte-Carlo-Simulationen  oder Optimierungsaufgaben, wie sie im  Bank- und Finanzbereich häufig eingesetzt  werden, beispielsweise bei der Risikoanalyse  oder beim Festlegen von Optionspreisen. Ein  Teil unserer Forschung besteht darin, Algorithmen  für unterschiedliche Anwendungen  zu entwickeln und zu verbessern. Dies beinhaltet  auch zu belegen und zu verifizieren,  dass Quantencomputer für diese Aufgaben  besser geeignet sind als herkömmliche Rechner.  Hierbei arbeiten wir auch mit verschiedenen  Partnern in Industrie und Akademie  zusammen, um interessante industrierelevante  Probleme zu identifizieren.

 

«Quantencomputer sind nicht nur Konzepte, sie sind Realität geworden.»

 

… aber wir sind jetzt in einer Phase, wo  es zwar Quantencomputer gibt, aber  wo man sie ausschliesslich nutzt, um  Anwendungen zu entwickeln und zu  demonstrieren? 

Im Moment gibt es keine kommerzielle Nutzung  von Quantencomputern, die einen  Mehrwert gegenüber einem klassischen System  brächte. Aber die Entwicklung von  Hardware und Anwendungen folgt einer steilen  Entwicklungskurve. Quantenhardware  hat sich in den vergangenen fünf Jahren  enorm entwickelt, von 5 Qubits in 2016 zu 65  Qubits im letzten September. Und dieses Jahr wollen wir 127 Qubits  zeigen. Unser Ziel ist es, dass wir Ende 2023 an den Punkt gelangen,  an dem wir den Vorteil von Quantencomputern für bestimmte kommerzielle  Anwendungen zeigen. Zu diesem Zeitpunkt wird noch nicht  jedes Problem mit Quantencomputern gelöst werden können. Aber  dann wird es mit jeder Verbesserung einen Schritt weitergehen.

Was sind noch die Schwierigkeiten bei der Hardware? Was  muss man noch verbessern? 

Zum einen braucht man mehr Quantenbits, und man muss deren  Qualität weiter verbessern. Die Quantenbits, die wir heute haben, sind  noch fehlerbehaftet. Deshalb überlegt man sich bei der Entwicklung  der Algorithmen, wie man mit diesen fehlerhaften Qubits Rechnungen  ausführen kann. Wir arbeiten auch daran, fehlerkorrigierte Quantenbits  zu erzeugen, mit denen man dann universell einsetzbare  Quantencomputer bauen kann.

Die Prozessoren in den Quantencomputern von IBM müssen  auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt  werden. Steht der dafür nötige technische Aufwand einer  praktischen Nutzung im Weg? 

Das hat man sehr gut im Griff. Die Kryostaten haben sich über die  letzten Jahre enorm weiterentwickelt, sodass sie heute in geschlossenen  Kreisläufen auf Knopfdruck funktionieren. Von daher ist der  Umstand, dass die Quantencomputer bei Temperaturen von 10 bis 20  Millikelvin arbeiten müssen, keine Barriere mehr.  Schon heute haben wir Quantencomputer in unsere Rechenzentren  gebracht und ihre Rechenleistung kann über die Cloud konsumiert  werden, genauso wie die konventioneller Grossrechner. Unsere ersten  Quantencomputer vor fünf Jahren, standen in speziellen Laboren,  heute funktionieren sie jedoch schon sehr robust und mit hoher Verfügbarkeit  im IBM-Datencenter. Und die Kollegen, die dort arbeiten,  müssen auch keine Quantenphysiker mehr sein, um die Rechner zu  betreiben. Natürlich ist ein Quantencomputer kein Gerät, das man in  den nächsten fünf bis zehn Jahren in der Hosentasche herumtragen  wird. Aber das braucht man auch nicht. 

 

«Natürlich ist ein Quantencomputer kein Gerät, dass man in den nächsten fünf bis zehn Jahren in der Hosentasche herumtragen wird. Aber das braucht man auch nicht.»

 

Werden Quantencomputer die herkömmlichen Rechner verdrängen,  oder werden sie diese eher ergänzen? 

Um auch die anspruchsvollsten Rechenaufgaben effizient zu bearbeiten,  brauchen wir in Zukunft eine Kombination aus normalen Bits,  Quantenbits und Neuronen, die nahtlos zusammenarbeiten. Für den  Nutzer steht nicht die Technologie im Vordergrund, sondern dass das  Problem bestmöglich gelöst wird. Das heisst, die zugrunde liegende  Technologie ist dem Nutzer im Endeffekt egal. Das Ziel ist, dass ein  Anwender, der beispielsweise Moleküle konstruiert oder Optimierungsprobleme  löst, mit seiner gewohnten Software weiterarbeiten  kann. Sein Problem wird dann in der Ebene darunter zerlegt und auf  den Maschinen gelöst, die dafür am besten geeignet sind. Das ist für  uns die Zukunft des Computings.

Es sieht so aus, als hätten derzeit die USA und Asien die Nase  vorn bei den Quantencomputern. Ist zu befürchten, dass wir  in Europa bei dieser Technologie den Anschluss verlieren? 

Ich denke nicht. Es gibt enorme Investitionen und sehr fähige Forschungsgruppen  in Europa. Viele Länder investieren derzeit sehr viel  Geld, um eigene Quantencomputer zu bauen – obwohl es bereits  Quantencomputer gibt und deren Weiterentwicklung auch rasch fortschreitet.  Dies darf man nicht übersehen und muss jetzt auch in die  Nutzung der Quantencomputer investieren. Firmen, die diese Technologie  nutzen wollen, können nicht zehn Jahre warten, bis jeder seinen  eigenen Quantencomputer gebaut hat.  In Ehningen in der Nähe von Stuttgart wird demnächst der erste  Quantencomputer ausserhalb der USA stehen, der für Forschungseinrichtungen  und Industrieunternehmen über ein Fraunhofer-Kompetenznetzwerk  zugänglich ist. Das ist für uns ein toller Erfolg. Wir wollen  die Zusammenarbeit der verschiedenen Nutzer fördern. Meiner  Meinung nach sollten Quantencomputer keine Prestigeobjekte sein,  die dann von einzelnen Akteuren oder in einzelnen Ländern exklusiv  genutzt werden. Genau wie heute jeder konventionelle Computer nutzen  kann, sollte auch der Zugang zu Quantencomputern für alle möglich  sein – unabhängig davon, wo sie erfunden oder gebaut wurden.  Wir haben bereits heute einige Quantencomputer über die Cloud zugänglich  gemacht. Hier kann sich jeder einloggen und Quantencomputer  benutzen. 

Zur Person: Heike Riel
Heike Riel ist IBM Fellow, Head of Science & Technology und Lead of IBM Research Quantum Europe & Africa bei IBM Research in Rüschlikon. Sie ist ausserdem stellvertretende Direktorin des schweizerischen Nationalen Forschungsschwerpunkts «SPIN: Spin-Qubits in Silizium». Heike Riel erhielt verschiedene Preise und Ehrungen. Beispielsweise wurde sie zum Mitglied der Schweizerischen Akademie der Technischen Wissenschaften (SATW) und zum Mitglied der deutschen Nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina gewählt. Sie erhielt die Ehrendoktorwürde der Universität Lund und wurde 2020 zum Fellow der American Physical Society gewählt.  

Interview: Hendrik Thielemann
Bildquelle: IBM Research
Artikel aus der STZ: Ausgabe März 2021

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