Qubits (Quantenbits) sind die elementaren Recheneinheiten eines Quantencomputers. Das Qubit ist das quantenmechanische Pendant zum klassischen, digitalen Bit.
Das Ziel ist klar: Die Entwicklung von Quantencomputern in Deutschland und Europa. Forschungszentren und Universitäten, Industrieunternehmen und Start-ups arbeiten daran. Ihre Schwerpunkte sind unterschiedlich: Einige haben die Hard- oder Software im Blick, andere konzentrieren sich eher auf die Grundlagen oder auch auf die Anwendung. Es existieren bereits Kooperationen. Um die Vernetzung aller Beteiligten weiter zu stärken, hat das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) das Austauschforum Quantencomputing initiiert.
„Die Quantencomputing-Technologie verspricht, für zahlreiche Bereiche unserer Industrie, Wirtschaft und Gesellschaft einen hohen Nutzen zu bringen. Wir werden die Aktivitäten koordinieren und gleichzeitig unsere Ideen austauschen“, sagt Prof. Anke Kaysser-Pyzalla, Vorstandsvorsitzende des DLR. „Bei einem so großen, disruptiven Thema wie dem Quantencomputing ist es unbedingt nötig, Wissen über Fach- und Organisationsgrenzen hinweg zusammenzuführen. Wir können gemeinsam mit unseren Partnern aus Industrie und Wissenschaft sowie Forschung und Behörden die Potenziale heben, erschließen und wirtschaftlich verwertbar machen. So leisten wir unseren Beitrag dazu, dass wir gemeinsam von den Grundlagen zu einem industriellen Quantenökosystem kommen.“
In den Vorträgen, Fragen und der anschließenden Diskussion ging es unter anderem um den Transfer von Forschungsergebnissen in die Industrie. Weitere Schwerpunkte: Welche Möglichkeiten bieten hybride Systeme, die Quantencomputer mit herkömmlichen Computern kombinieren? Wie können möglichst fehlerfreie Quantencomputer realisiert werden? Auf welche Weise werden die Qubits geschaffen? Alle Quantencomputer arbeiten mit Qubits, die den Gesetzen der Quantenphysik folgen. Die Bits der herkömmlichen Rechner kennen nur die Zustände 0 und 1. Qubits nehmen dagegen unendlich viele Zwischenwerte an. Es gibt unterschiedliche Konzepte für die Herstellung dieser besonderen Speicherbausteine, die Quantencomputer so leistungsfähig machen. Zu ihnen zählen etwa Ionenfallen, supraleitende Systeme oder Halbleiter. Aber auch Varianten wie die Majorana-Qubits, deren praktische Realisierung noch aussteht, sind Gegenstand der Forschung.
Quantencomputer benötigen eine ganz neue Art von Software. Diese kann nur in enger Zusammenarbeit mit den Hardware-Experten gestaltet werden. Dieses Prinzip des Hardware-Software-Codesigns war ebenfalls ein Thema im Austauschforum. Einige Forschende erinnerten an die Entwicklung klassischer Supercomputer in den 1980er Jahren. Auch damals wurden mehrere Herausforderungen gleichzeitig gelöst. Nun helfen Supercomputer (HPC, High Performance Computing) bei der Simulation und Prüfung von komplexen Quantensystemen. Sie stoßen dabei allerdings an Grenzen.
Hoher Nutzen für Industrie, Wirtschaft und Gesellschaft
Quantencomputer werden zum Beispiel Optimierungen im Verkehrs- oder Logistikbereich durchführen, neue Materialstrukturen simulieren oder das maschinelle Lernen verbessern. Außerdem ermöglichen sie neue Anwendungen in Cybersicherheit und Kommunikation. Das Austauschforum Quantencomputing findet künftig jährlich statt.
Die DLR-Initiative Quantencomputing
Die DLR-Initiative strebt den Bau von prototypischen Quantencomputer-Varianten und ihren Komponenten an. Sie erarbeitet innerhalb von vier Jahren Anwendungsmöglichkeiten für wissenschaftliche, wirtschaftliche und sicherheitsrelevante Fragestellungen. Gemeinsam mit Partnern aus der Wirtschaft baut das DLR eine industrielle Basis auf und richtet zwei Innovationszentren in Hamburg und Ulm ein. Die Partner werden üblicherweise über vollfinanzierte Beauftragungen eingebunden. Das BMWi stellt dem DLR in den kommenden Jahren 740 Millionen Euro bereit. Das BMWi und das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördern Quantentechnologien mit insgesamt rund zwei Milliarden Euro.
Zwei neue Institute, die auf Quantentechnologien spezialisiert sind
Im DLR hat das Institut für Softwaretechnologie schon 2014 erste Experimente mit einem frühen Quantencomputer durchgeführt. Schon damals gab es enge Kooperationen mit Forschungseinrichtungen und der Industrie. Das DLR hat kürzlich das Institut für Quantentechnologien in Ulm und das Institut für Satellitengeodäsie und Intertialsensorik in Hannover eröffnet. Beide sind auf Quanteneffekte spezialisiert. Weitere Institute sind beteiligt: Durch die eigene Forschung in den Bereichen Luftfahrt, Raumfahrt, Energie, Verkehr, Sicherheit und Digitalisierung besteht ein großer Bedarf für den Einsatz von Quantencomputern. Aktuell arbeitet das DLR zum Beispiel im Fraunhofer Kompetenzzentrum bei Stuttgart mit dem Quantenrechner IBM Q System One, um atomare Vorgänge in Batterien zu simulieren.
