Quantenrechnen: Weltpremiere am LRZ-Supercomputer in Garching

In Bayern ist erstmals ein Quantencomputer erfolgreich in einen Höchstleistungsrechner integriert worden. Am Dienstag wurde das vom Bundesforschungsministerium mit rund 40 Millionen Euro geförderte Projekt der Öffentlichkeit präsentiert. Zwei der schnellsten Supercomputer Deutschlands stehen in Garching, im Norden von München. Das Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) betreibt dort die Super-Muc NG und Super-Muc NG Phase 2 genannten Systeme im Dienste der Wissenschaft: Forschende aus dem Freistaat, aber auch darüber hinaus können dort auf Antrag komplexe Rechenoperationen bearbeiten lassen und so zum Beispiel simulieren, wie sich Strömungen verhalten oder Erdbeben ausbreiten. Doch auch die schnellsten Supercomputer könnten in nicht so ferner Zukunft in bestimmten Bereichen von neuen Rechnern in den Schatten gestellt werden.

Weltweit wird an sogenannten Quantencomputern geforscht, die theoretisch bislang unerreichte Rechenleistungen erreichen können. In der Breite kommt die Technik trotz rasanter Fortschritte noch nicht zur Anwendung. Deutschland ist bei der Forschung aber im internationalen Spitzenfeld dabei, und wichtige Beiträge kommen aus Bayern. Gebündelt werden die Aktivitäten hier im Munich Quantum Valley (MQV), einem Zusammenschluss von Universitäten, Forschungseinrichtungen und Unternehmen, das der Freistaat im Rahmen seiner Hightech-Offensive mit Millionenbeträgen fördert. Am LRZ wird im Rahmen dieser Initiative etwa erforscht, wie Supercomputer und Quantencomputer künftig Probleme gemeinsam bearbeiten können. 

Hightech in Bayern: Es geht auch um technologische Souveränität

Ein runder weißer Container, der von einem Metallgestell nach unten hängt. Daneben ein Rechenschrank, viele Kabel und ein Flasche mit flüssigem Stickstoff: Relativ unscheinbar wirkt der 25 Millionen Euro teure Quantencomputer, der im LRZ-Rechnergebäude neben dem Supercomputer steht. "Ein Super-Kühlschrank mit einem winzigen Computerchip darin", so beschreibt es Bayerns Wissenschaftsminister Markus Blume (CSU) bei seinem Rundgang mit LRZ-Chef Dieter Kranzlmüller und Jan Goetz, Co-Chef der deutsch-finnischen Herstellerfirma IQM. 

Die große Herausforderung für das Team mit Expertinnen und Experten mehrerer Partner ist es nun, die beiden Rechner so zu programmieren und aufeinander abzustimmen, dass sie sich künftig selbstständig Aufgaben zuweisen. Gemeinsam können der herkömmliche Supercomputer und der 20 Qubit-Quantencomputer dann Probleme lösen, die bisher nur schwer oder sehr langwierig zu berechnen sind. Ganz so weit ist das Team am LRZ noch nicht. 

Quantencomputer funktionieren nach einem völlig anderen Prinzip als bisherige Computer. Egal, ob Super-Muc oder heimischer PC: Informationseinheit sind für herkömmliche Systeme Bits, die entweder den Wert 0 oder 1 haben. Quantencomputer rechnen mittels Qubits. Das sind kleinste Teile – Atome, Ionen oder Elektronen –, die zur gleichen Zeit beide Werte annehmen können. 

Ein Quantencomputer kann bislang unlösbare Probleme lösen

Experten erklären das gerne ganz plastisch anhand einer Münze. Sie kann entweder Kopf oder Zahl anzeigen, also 0 oder 1 wie bei einem klassischen Rechner. Bei einem Qubit dreht sich die Münze quasi rasend schnell um sich selbst und zeigt somit zu jeder Zeit beide Zustände an. 

Diese Qubits sind in einem Quantencomputer miteinander verbunden, also verschränkt. Wenn man ein Qubit verändert, ändert sich gleichzeitig das mit ihm verschränkte, egal, wie weit es räumlich von ihm entfernt ist. Mit jedem Qubit verdoppelt sich die Anzahl der Informationen, die im System verarbeitet werden können. Das erklärt, warum Quantencomputer einmal Aufgaben lösen sollen, an denen klassische Computer scheitern. 

Den Fahrplan der Deutschen Bahn optimieren

Der Quantencomputer am LRZ muss muss konstant auf minus 273 Grad gekühlt werden. Es gibt aber Quantencomputer, die nach ganz anderen technischen Prinzipien funktionieren. Auch solche Geräte hat das LRZ. Welche Technik sich am Ende durchsetzt, ist noch offen. "Es kann durchaus sein, dass wir in Zukunft verschiedene Technologien für verschiedene Anwendungen nutzen", erklärt Kranzlmüller. Seine Hoffnung ist aber, dass viele Grundlagen für alle Techniken nur einmal erarbeitet werden müssen.

Ziel der Arbeit im Munich Quantum Valley sei es, aus der Grundlagenforschung schnell in kommerzielle Anwendungen zu kommen, erklärt MQV-Geschäftsführer Rudolf Gross. IQM-Mitbegründer Goetz sieht sein Unternehmen an dieser Schwelle. Der Rechnerkauf durch das LRZ war ein kommerzieller Auftrag für das Start-up, das bereits Marktführer in Europa ist. Nun entwickle man hier mit einem Netzwerk von Experten die Technik weiter. 

Große Unternehmen wie etwa Airbus oder BMW hätten längst eigene Quanten-Teams und prüften, für welche Anwendungen sie die Technik nutzen können. "Ein plastisches Beispiel für eine Quantencomputer-Aufgabe wäre etwa die Optimierung des Fahrplans der Deutschen Bahn. Es gibt zwar nur eine begrenzte Anzahl von Zügen und Gleisen, aber eine riesige Menge an Möglichkeiten", erklärt Goetz. Weitere Anwendungen seien etwa die Entwicklung neuer Materialien oder Optimierungsaufgaben.