Ein Quantum Computing

Der Jubel Mitte Juni 2021 war groß als der US-amerikanische Technologiekonzern IBM und die Fraunhofer–Gesellschaft den ersten Quantencomputer in Deutschland einweihten und die schon Monate vorher bekannte Kooperation im baden-württembergischen Ehningen ihren physischen Standort fand. Die Euphorie war groß. IBM-Mitarbeitende bekundeten in den Sozialen Medien ihre Freude über die Kooperation – die Fraunhofer-Forschenden freuten sich über die vielfältigen Möglichkeiten, das Quantum Computing nun endlich tiefer zu ergründen. Schließlich hatte man nun Zugriff auf einen der weltweit zwei vorhanden Quantencomputer und konnte ihn für unterschiedliche Anwendungen ausprobieren. Diese Euphorie war begründet. Hier soll etwas entstehen, das einen sprichwörtlichen Quantensprung darstellt. Eine neue Technologie-Ära ist am 15. Juni 2021 eingeläutet worden, in der die Akteure aus Forschung und Industrie vernetzt, neue Kompetenzen für Quantencomputing geschaffen und der praktischen Anwendung für QBits den Weg bereitet soll. UND: Nicht nur Fraunhofer-Mitarbeitende haben Zugang auf den IBM Q System One. Externen Partnern, wie etwa Universitäten oder Unternehmen bekommen über Kooperationen Zugriffsmöglichkeiten, um für sich einen Nutzen zu schaffen. Aber wie sollen sie das machen? Quantencomputer sind nicht einfach nur schnellere Superrechner. Was ist überhaupt Quantencomputing und wie erkennen die Unternehmen den Mehrwert für sich?  

Die Technologie ist da, das Wissen noch nicht

Die Vorteile der Nutzung von Quantenrechnern liegen auf der Hand und alle Expertinnen und Experten aus Wissenschaft und Forschung sind sich auch weitestgehend darüber einig. Quantencomputer bzw. Quantenbasierte Rechner können Informationen schneller verarbeiten und komplexere Probleme besser bewältigen als klassische digitale Computer. Das liegt daran, dass sie quantenmechanisch verschränkte Elementarteilchen wie Elektronen oder Photonen als Informationseinheit nutzen: Qubits. Ok, und was sind Qubits? Auch ohne empirische Untersuchungen lehnt man sich nicht zu weit aus dem Fenster, wenn man behauptet, dass die meisten Menschen den Begriff noch nie gehört haben, geschweige denn eine Definition parat haben. Das muss man auch nicht im Detail. Man muss nur verstehen, dass Quantencomputer, obwohl als Computer bezeichnet, weit entfernt sind von dem, was wir unter Computern verstehen. Wer sich das klar macht, wird auch die Möglichkeiten erkennen, die Quantencomputing mit sich bringt. Schnelligkeit ist hier Fluch und Segen zugleich. Doch bevor man diese nutzen kann, gilt es die Welt des herkömmlichen Computings und die Welt der Quanten miteinander zu verbinden. 

Quantencomputer: Funktionsweise und Anwendungen

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Schnell im Rechnen – breit in der Anwendung 

Neben der Schnelligkeit haben Quantencomputer das Potenzial, die Bearbeitung von Fragestellungen zu ermöglichen, für die es bisher keine Lösungsansätze gab. Vor allem Simulationen und die Lösung von Optimierungsproblemen sind vielversprechende Anwendungsgebiete. Mithilfe von Simulationen lassen sich etwa die Eigenschaften von Molekülen und Materialien vorhersagen. Optimierungsprobleme stellen sich zum Beispiel in der Logistik, wenn es darum geht, den optimalen Verkehrsfluss zu ermitteln, um Straßen zu entlasten. Im Bereich der IT-Sicherheit wurde bereits nachgewiesen, dass ein Quantencomputer die klassischen Verschlüsselungsalgorithmen sehr schnell brechen kann und somit neue Verfahren, die nicht auf rein rechnerisch schwierigen mathematischen Problemen basieren, zu entwickeln sind. Insbesondere wichtig ist hier, dass in gewissen Bereichen, wie der sicheren Infrastruktur, die sichere Kommunikation heute und auch in Zukunft nicht entschlüsselt werden sollte.

Neue Lösungen für neue und alte Probleme  

Logistik 

Ein optimaler Verkehrsfluss entlastet Straßen und andere Transportwege. Quantenalgorithmen können angewandt werden, um beispielsweise ideale Mobilfunknetzstrukturen zu ermitteln oder für Krankenhäuser medizinische Ressourcen optimal zu verteilen.   

Medizin 

Hier ermöglicht Quantencomputing beispielsweise die effizientere Entwicklung von Medikamenten oder die Verbesserung von Diagnoseverfahren. 

IT-Sicherheit 

Leistungsfähigere Rechner können sichereren Datentransfer und bessere abhörsichere Kommunikationsnetze ermöglichen. Wichtig wird an dieser Stelle die Frage nach der Post-Quanten-Sicherheit, also inwiefern es durch Quantencomputer auch neue Herausforderungen in der IT-Sicherheit geben wird.  

Chemie, Pharmazie, Materialwissenschaft  

Mithilfe der Simulation von Molekülen könnten in Zukunft beispielsweise gezielt Katalysatoren entwickelt werden, die chemische Produktionsverfahren effizienter machen.   

Ingenieurwesen  

Auch das Ingenieurwesen profitiert besonders im Bereich der Optimierung – zum Beispiel, wenn Materialien mit bestimmten Eigenschaften benötigt werden und dabei ein Abwägen zwischen Stabilität und Gewicht stattfindet.   

Finanzwirtschaft  

Im Finanzwesen lassen sich Risikoanalysen und Portfolio-Optimierungen mit Quantencomputing in Zukunft schneller realisieren. Auch die Erkennung und Prognose von Betrugsversuchen lässt sich durch Quantencomputing effizienter sicherstellen. 

Fachliche Kompetenzen für Quantencomputing

Es ist nicht einfach, sich auf das Thema Quantencomputing einzulassen. Es ist nicht nur eine neue Technologie, in die man eintauchen muss. Nein, Quantencomputing durchbricht auch bisherige Problemlösungsmuster. In den meisten Fällen – und das ist typisch menschlich und kommt im privaten Alltag wie auch im Alltag der Unternehmen vor – taucht zunächst ein Problem auf, für das man dann Lösungen sucht. Das Problem ist also erkannt, die Lösung steht im Fokus. Beim Quantencomputing muss man sich auch noch mal das Problem genauer anschauen. Wie muss es beschaffen sein, um es mit Quantencomputern effizient lösen zu können? Wie müssen die Algorithmen dafür aufgebaut sein? Und wie formuliert man Rechenmethoden auf diesen Computern, damit sie ihr Potenzial entfalten können?  Die Fraunhofer-Gesellschaft hat ein nationales Kompetenznetzwerk Quantencomputing gegründet, auf Basis von regionalen Kompetenzzentren und eigenen Forschungsschwerpunkten. Es ist die Anlaufstelle für alle, die am Quantencomputer forschen wollen.  

Mehr zu dem Fraunhofer-Kompetenznetzwerk Quantencomputing

Unternehmen ihrerseits möchten konkrete Lösungen. Sie müssen das Thema und vor allem den Nutzen des Quantencomputing für sich erkennen, damit dieses nicht nur den Forschenden vorbehalten bleibt. Zudem – und das ist aus der Sicht des Wirtschaftsstandorts Deutschland entscheidend – müssen sie für sich erkennen, wie sie damit neue Geschäftsmodelle entwickeln und ihre Innovationen vorantreiben, damit Quantencomputing Wertschöpfung in Deutschland schafft. Die Fraunhofer-Gesellschaft stellt nicht nur den Quantencomputer für den Standort Deutschland bereit, sondern unterstützt Unternehmen dabei, frühzeitig Kompetenzen aufzubauen.  

In den drei Bereichen Technologie, Innovation und Unternehmen stehen bereits zielgruppengerechte Lernpfade bereit: 

• Quantum Technology Expert
  (Zielgruppe: Data Scientists, Software Engineers, Forscher:innen)
• Quantum Innovation Expert
  (Zielgruppe: Technologie-Scouts, Gründer:innen sowie Unternehmer:innen aus Start-ups)
• Quantum Business Professional
  (Zielgruppe: Vertreter:innen aus dem C-Level)

Die Quantentheorie, auch wenn schon seit über einhundert Jahren erforscht, birgt nach wie vor selbst für Fachleute viele Geheimnisse. Die Gesetze der Quantenphysik übersteigen oft das menschliche Vorstellungsvermögen. Dennoch haben Forschende überall auf der Welt Wege gefunden, die Quanten für sich zu nutzen – in unterschiedlichen Quantentechnologien, sei es Quantenkommunikation, Quantensensorik oder eben Quantencomputing. Die Neugier ist groß, der Forscherdrang auch. Nun geht es an die Anwendungen. Und hier sind die Chancen riesig, komplexe Probleme schneller zu lösen und neue Geschäftsmodelle zu entwickeln. Vieles wird vielleicht nicht beim ersten Versuch gelingen, aber das sollte den neuen Pioniergeist nicht enttäuschen. Also packen wir es an! #WerdeQuantencomputingPionier* 

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