Quantencomputer: Forschungszentrum Jülich und Google kooperieren

Das Forschungszentrum Jülich und Google wollen künftig gemeinsam zu Quantencomputern forschen. Die Partnerschaft wird neben gemeinsamen Forschungsaktivitäten auch die Ausbildung von Experten auf dem Gebiet der Quantentechnologien und Quantenalgorithmen beinhalten. Im Rahmen der Vereinbarung ist zudem eine wechselseitige Nutzung von Hardware geplant. Bundeswirtschaftsminister Peter Altmaier beglückwünschte die deutsch-amerikanische Forschungspartnerschaft anlässlich seines Besuchs am Hauptsitz von Google im kalifornischen Mountain View.

„Quantencomputer haben das Potenzial, bestimmte Arten von Berechnungen deutlich effizienter zu lösen, als das mit heutigen Technologien möglich ist. Quantencomputer und Quantenalgorithmen sind daher sehr wichtige Zukunftstechnologien, die weltweit aufmerksam verfolgt werden. Aktuell stehen Quantencomputer noch ganz am Anfang ihrer Entwicklung und es ist schwer abzuschätzen, was alles möglich sein wird – und was eventuell auch nicht. Die Forscherinnen und Forscher müssen hier noch viel Grundlagenarbeit leisten. Das war bei der Entwicklung der heutigen Computer nicht anders. Ich freue mich daher, dass Google und das Forschungszentrum Jülich heute beschlossen haben, in dem wichtigen Zukunftsfeld der Quantencomputer zu kooperieren“, sagte Peter Altmaier, Bundesminister für Wirtschaft und Energie.

Google arbeitet bereits seit Jahren an der Entwicklung von Quantenprozessoren und Quantenalgorithmen. Die Erforschung neuer Technologien für Quantencomputer ist zugleich einer der Schwerpunkte des Forschungszentrums Jülich. Das Forschungszentrum plant den Betrieb eines europäischen Quantencomputers mit 50 bis 100 supraleitenden Qubits, der im Quanten-Flaggschiffprogramm der EU entwickelt und am Forschungszentrum Jülich der Forschung und Industrie zugänglich gemacht werden soll. Die groß angelegte Forschungsinitiative zielt darauf ab, die Entwicklung von Quantentechnologien in Europa zu beschleunigen und ist mit einem Fördervolumen von 1 Milliarde Euro für einen Zeitraum von zehn Jahren ausgestattet.

Forschungszentrum Jülich und Google wollen Quantencomputer erforschen: Prof. Wolfgang Marquardt, Vorstandsvorsitzender des Forschungszentrums Jülich; Dr. Hartmut Neven, Technischer Direktor bei Google und Leiter des Quantum Artificial Intelligence Labs; Dr. Markus Hoffmann, Leiter „Quantum Partnerships” bei Google; Prof. David DiVincenzo, Direktor am Peter Grünberg Institut (PGI-2 / IAS-3 / PGI-11), Forschungszentrum Jülich; Prof. Kristel Michielsen, JSC, Forschungszentrum Jülich; Prof. Sebastian M. Schmidt, Mitglied des Vorstandes des Forschungszentrums Jülich; Prof. Thomas Lippert, Direktor des JSC, Forschungszentrum Jülich (v.l.n.r.) (Bild: Forschungszentrum Jülich /Kurt Steinhausen)

„Quantencomputer bieten die Möglichkeit, bestimmte algorithmische Probleme in Sekundenschnelle zu lösen, für die man mit heutigen Superrechnern viele Jahre benötigen würde. Als ein Unternehmen, das auf diesem Gebiet Maßstäbe setzt, ist Google für uns ein wichtiger Partner, um mit vereinten Kräften diese Technologie weiter zu entwickeln“, erklärt Prof. Wolfgang Marquardt, Vorstandsvorsitzender des Forschungszentrums Jülich.

„Quantenprozessoren können dabei helfen, neue umweltfreundliche Technologien auf den Weg zu bringen oder Methoden der künstlichen Intelligenz zu revolutionieren. Wir beobachten die Entwicklungen in Europa mit Spannung und freuen uns, im Rahmen der Kooperation mit dem Forschungszentrum Jülich einen Beitrag dazu zu leisten, Quantentechnologien in Europa zum Erfolg zu führen“, erklärt Dr. Hartmut Neven, Technischer Direktor bei Google und Leiter des Quantum Artificial Intelligence Labs.

Google und das Forschungszentrum Jülich werden sich künftig insbesondere bei der Ausbildung von Nachwuchswissenschaftlern und Experten gegenseitig unterstützen. „Ein Mangel an Fachleuten auf dem Gebiet des Quantencomputing ist jetzt schon absehbar, ähnlich wie er heute bereits im Bereich der Künstlichen Intelligenz zu beobachten ist. Aus diesem Grund investieren wir bereits jetzt in die Ausbildung und Förderung von akademischen Spitzenkräften“, sagt Dr. Markus Hoffmann, Leiter „Quantum Partnerships“ bei Google.

Die Partnerschaft setzt auf einen regelmäßigen wissenschaftlichen Austausch. „Am Forschungszentrum Jülich werden Hands-on-Workshops und Spring Schools ausgerichtet werden. Die Jülich Unified Infrastructure for Quantum Computing, kurz JUNIQ, wird für die Ausbildung von Spezialisten in der Industrie verfügbar und über die Cloud europäischen Nutzern zugänglich sein“, erklärt Prof. Kristel Michielsen, Leiterin der Arbeitsgruppe Quantum Information Processing am Jülich Supercomputing Centre (JSC).

Darüber hinaus werden Google und das Forschungszentrum Jülich gemeinsam auf dem Gebiet der Quanten-Hardware und Quantenalgorithmen forschen. Forscherinnen und Forscher beider Partner bekommen damit die Möglichkeit, Simulationen auf den Superrechnern am Jülich Supercomputing Centre (JSC) durchzuführen und mit Googles Quantenprozessoren zu experimentieren.

Bereits heute arbeiten das Forschungszentrum Jülich und Google in mehreren Forschungsprojekten zusammen, die mit einem Google Faculty Research Award ausgezeichnet wurden. Prof. Kristel Michielsen und Prof. Tommaso Calarco vom Forschungszentrum Jülich hatten den Forschungspreis 2018 erhalten. Eine weitere Auszeichnung ging 2015 an Prof. Frank Wilhelm-Mauch von der Universität des Saarlandes, mit dem das Forschungszentrum Jülich im Teilprojekt OpenSuperQ des europäischen Quanten-Flaggschiffprogramms kooperiert.

Quantencomputer mit enormer Rechenleistung

Quantencomputer arbeiten im Gegensatz zu den heute gebräuchlichen Digitalrechnern nach den Gesetzen der Quantenmechanik und nicht auf Basis der Gesetze der klassischen Physik und Informatik. Wichtigster Unterschied ist, dass ein Quanten-Bit (Qubit) nicht nur die Zustände „0“ und „1“ kennt, sondern auch beliebige Überlagerungszustände von 0 und 1 zugelassen sind.

Das könnte millionenfache parallele Berechnungen erlauben und dem Quantencomputer einen kaum vorstellbaren Leistungsvorsprung gegenüber herkömmlicher Computertechnik verschaffen. Quantencomputing basiert auf der Quantentheorie und verwendet subatomare Partikel zur Datenspeicherung. Entsprechende Computer sollen deutlich schneller arbeiten als heutige Systeme und jegliche Aufgaben berechnen können. Forschung zu Quantenrechnern betreiben unter anderem auch Microsoft, Intel und weitere Unternehmen. Im letzten Jahr meldete Google einen Durchbruch beim Quantencomputing mit einem 72-Qubit-Rechner.

Durch diese neue Rechenarchitektur könnten beispielsweise in Sekundenbruchteilen sehr starke Verschlüsselungen geknackt werden. Zudem sind damit Simulationen möglich, die sich mit einem klassischen Rechner nicht nachbilden lassen, was für die Entwicklung von Medikamenten oder neuen Materialien einen erheblichen Vorteil verspricht. Auch autonome Systeme oder künstliche Intelligenz könnten von Quantencomputing profitieren.

Noch nicht wirklich praxistauglich – Gefahr für IT-Sicherheit

Im Januar kündigte IBM mit dem Q System One den ersten kommerziellen Quantencomputer an. Allerdings sieht Winfried Hensinger, Professor für Quantentechnologien an der University of Sussex, derzeit noch wenig praktischen Nutzern: „Stellen Sie sich das nicht als einen Quantencomputer vor, der all die Probleme lösen kann, wie es von Quantum-Computing erwartet wird“, sagte er gegenüber The Verge. „Stellen Sie es sich als eine Prototyp-Maschine vor, die es erlaubt, einige Anwendungen zu erproben und weiterzuentwickeln, die sich in der Zukunft als nützlich erweisen könnten.“

Auch Duncan Jones, Forschungsleiter von Thales eSecurity, sieht 2019 noch nicht als das Quantum-Jahr – aber doch als das Jahr, um sich darauf vorzubereiten. Er führt einige Experten an, die davon ausgehen, dass es nie zu einer groß angelegten Implementierung von Quantum-Computing kommen wird. Andererseits sei aber auch ein plötzlicher Durchbruch nicht auszuschließen – und deshalb eine umfassende Vorbereitung ebenso notwendig wie ein gutes Verständnis der Technologie.

Duncan verweist auf von Quantencomputern ausgehende Gefahren für die IT-Sicherheit, da Informationssysteme heute nur deshalb sicher sind, weil moderne Computer bestimmte mathematische Probleme nicht lösen können. Ein ausreichend leistungsfähiger Quantencomputer aber bedeute, dass wesentliche kryptographische Technologien unsicher werden. „Niemand kann mit Bestimmtheit sagen, wann ein ausreichend leistungsfähiger Quantencomputer existieren wird“, argumentiert der Sicherheitsexperte. „Also müssen alle Sicherheitssysteme vor diesem ungewissen Zeitpunkt mit Algorithmen aktualisiert werden, die stark genug sind, Angriffe abzuwehren, die entweder von klassischen Computern oder von Quantencomputern ausgehen.“