Quantencomputing

Herkömmliche Computer und Quantencomputer rechnen beide mit Bits. Diese unterscheiden sich aber erheblich. Ein Bit eines gängigen Computers kann nur zwei Zustände annehmen, nämlich »0« und »1«. Ein Quantum Bit oder Qubit eines Quantencomputers nimmt dagegen in einer Überlagerung beide Zustände gleichzeitig an. Dies nennt man Superposition. Sie sorgt dafür, dass die Rechenkapazität eines Quantencomputers wesentlich höher ist als die eines herkömmlichen Computers, da Daten gleichzeitig verarbeitet werden können. Und mit jedem weiteren Qubit wächst die Rechenleistung exponentiell.

Durch die Superposition, also die Überlagerung von Zuständen kommt es außerdem zu Interferenzen von Qubits. Das bedeutet, dass sich die Zustände gegenseitig verstärken oder abschwächen. Ein weiteres Konzept, das für die hohe Leistungsfähigkeit des Quantencomputing sorgt, ist die Verschränkung (Entanglement) mehrerer Qubits. Damit sind die Zustände nicht mehr unabhängig, sondern gekoppelt: verändert sich ein Qubit, dann verändert sich auch das andere.

Diese drei Besonderheiten des Quantencomputing, also Superposition, Interferenz und Verschränkung, sorgen dafür, dass Quantencomputer Daten effizienter verarbeiten können. Dadurch können sie mit komplizierten Datensätzen arbeiten und in Zukunft auch bisher unlösbare Rechenaufgaben durchführen.

Die Funktionsweise im Quantencomputer läuft anders als bei herkömmlichen Computern nicht auf elektronischer Ebene, sondern auf physikalischer Teilchenebene ab. Es sind spezielle Rahmenbedingungen notwendig, damit die quantenmechanischen Eigenschaften eines Quantencomputers gehalten werden können. So bestehen beispielsweise Quantencomputer, die auf supraleitenden Qubits basieren, aus mehreren Kammern, von denen die unterste auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt von -273 °C heruntergekühlt wird. Schon minimale Temperaturveränderungen oder Strahlungen können Qubits beeinflussen. Bisher ist es nur für kurze Zeit geglückt, ein Qubit tatsächlich im Zustand der Superposition zu halten, was Voraussetzung für die Funktionsfähigkeit des Quantencomputing ist. Auch die Anzahl der Qubits selbst ist aktuell sehr limitiert. In wenigen Jahren wird es voraussichtlich Quantencomputer mit Tausenden Qubits geben, für aufwändige Berechnungen reicht dies aber möglicherweise noch nicht aus.

Das heißt, aktuell ist noch viel grundlegende Forschung notwendig, um Quantentechnologien in Zukunft zuverlässig einsetzen zu können. Aber das Interesse an Quantencomputing wächst, denn die Quantentechnologie könnte aufgrund ihrer enormen Rechenleistung in vielen Branchen zu bahnbrechenden Entwicklungen führen.

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Aktuell steht das Quantencomputing noch ganz am Anfang. Viele Institute und Firmen forschen an Algorithmen, die schon von den frühen Quantencomputing-Geräten profitieren könnten. Außerdem arbeiten viele Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler daran, die zugrundeliegende Hardware zu verbessern und leistungsfähige Simulationsumgebungen für Quantencomputer zu entwickeln.

Auch die Fraunhofer-Gesellschaft forscht mit dem institutsübergreifenden Kompetenznetzwerk Quantencomputing an der Quantentechnologie und treibt damit deren Entwicklung in Deutschland entscheidend voran. Seit Januar 2021 hat die Fraunhofer-Gesellschaft dafür Zugriff auf den Quantencomputer IBM Q System One, der durch IBM in Baden-Württemberg betrieben wird. Er verfügt über 27 supraleitende Qubits und kann auch von externen Partnern wie Universitäten oder Unternehmen genutzt werden.

Software für Quantencomputing im Fokus

Parallel beginnen Forschung und Industrie, sich zunehmend mit der Software und Betriebssystem für Quantencomputer auseinanderzusetzen. Das Fraunhofer-Institut für Kognitive Systeme IKS setzt hier an und ist Teil des Bayerischen Kompetenzzentrums Quanten Security und Data Science (BayQS) und des Munich Quantum Valley (MQV).

Das Kompetenzzentrum BayQS hat das Ziel, bei der Realisierung von Quantencomputern frühzeitig auf die drei Aspekte Cybersicherheit, Zuverlässigkeit und Optimierung einzugehen und diese von Anfang an mitzudenken. Dabei liegt der Fokus vor allem auf Software-Fragestellungen rund um das Quantencomputing. Durch die Verzahnung der drei Themen unter dem Dach des Zentrums BayQS wird ein umfassendes Qualitätsangebot für das Quantencomputing geschaffen, das dazu beiträgt, Quantencomputing in der Breite anwendbar zu machen. Beteiligt sind neben dem Fraunhofer IKS auch die Fraunhofer-Institute AISEC und IIS.

Das Munich Quantum Valley arbeitet an Quantencomputing-Demonstratoren auf Basis der drei unterschiedlichen Technologien neutrale Atome, supraleitende Qubits und Ionenfallen. Außerdem wird der gesamte Softwarestack bis zur Endanwendung mitentwickelt. Das Fraunhofer IKS ist an dieser Softwareentwicklung beteiligt. Der Fokus liegt hierbei vor allem auf zuverlässigen Quantencomputing-Algorithmen für industrielle, pharmazeutische und chemische Anwendungsfälle.

Das Fraunhofer IKS forscht im Rahmen des Zentrums BayQS an sicheren Softwareanwendungen für Quantencomputer. Denn wirklich von Nutzen ist ein Quantencomputer erst dann, wenn man sich auf seine Berechnungen verlassen kann. Die Robustheit des Quantencomputings ist daher neben der reinen Rechenleistung eine Grundvoraussetzung für den erfolgreichen Einsatz.

Seine Expertise im Bereich Safety bringt das Fraunhofer IKS in zwei Projekten des BayQS ein, die Quantencomputing und Künstliche Intelligenz (KI) verbinden:

Zuverlässige Quantencomputing-basierte KI für medizinische Diagnoseaufgaben

Quantencomputer sollen in Zukunft die Diagnose auf Basis von Bilddaten wie MRT- oder CT-Aufnahmen verbessern. Klassische KI-Methoden benötigen sehr viele Daten, um zuverlässige Aussagen treffen zu können. Quantencomputer dagegen könnten mit der gleichen Menge an Bilddaten ein verlässlicheres Ergebnis liefern. Hieran forscht das Fraunhofer IKS, um so die Diagnose beispielsweise von Hirntumoren zu verbessern.

• Quantencomputing-basierte KI in der Medizin

Quantencomputing-basierte Zertifizierung von neuronalen Netzen

Neuronale Netzwerke für reale Anwendungen werden sehr schnell kompliziert und damit schwer zertifizierbar. Das Fraunhofer IKS untersucht im Rahmen des Projekts, wie die Absicherung autonomer, vernetzter Systeme durch Quantencomputing verbessert werden kann. Der Fokus liegt dabei vor allem darauf, nachweisbare Garantien für bestimmte Eigenschaften komplexer neuronaler Netze liefern zu können.

• Quantencomputing-basierte Zertifizierung von neuronalen Netzen

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