Bearbeitet von Isabella Pridat-Zapp

Dr. Riel

Ich freue mich heute hier zu sein und über Quanten Computing zu sprechen. Mein Name ist Heike Riel, ich arbeite für IBM Research, ich bin IBM Fellow und Leiterin der IBM Quantenforschung in Europa und Afrika.

Heute habe ich das große Vergnügen, Prof. Dr. ­Oliver Ambacher begrüßen zu dürfen. Er ist Direktor des Fraunhofer-Instituts (IAF) für Angewandte Festkörperphysik und koordiniert das Kompetenzzentrum für Quanten Computing der Fraunhofer-Gesellschaft.

Ich freue mich darauf, mit Ihnen über die große Reise zu sprechen, auf die wir uns begeben haben. Wir haben den ersten IBM Quanten Computer nach Deutschland geholt. Er steht in Ehningen, er läuft und Sie nutzen ihn. Woher kommt Ihre Begeisterung für das Quanten Computing?

Prof. Ambacher

Zunächst einmal ist es natürlich toll, dass wir zu den ersten in Europa gehören, die einen Quanten Computer haben. Ich glaube, dass es einen weiteren in Japan gibt, aber insgesamt gibt es bisher etwa 30 Quanten Computer auf der ganzen Welt und wir haben nun Zugang zu einem Quanten Computer.

Mich fasziniert besonders der Kontrast zu unserer üblichen Tätigkeit. Normalerweise schalten wir Transsistoren ein und aus, eine einwandfrei funktionierende Technologie – doch die Physik dahinter ist langweilig, nur Einsen und Nullen.
Jetzt haben wir diesen Quanten Computer, der mit Quantenzuständen und Wahrscheinlichkeiten arbeitet. Das ist deutlich schwieriger zu steuern und zu verstehen, also für einen Wissenschaftler faszinierend.

Dr. Riel

Wie sieht es aus Sicht der Fraunhofer-Gesellschaft aus, hat diese ein bestimmtes Ziel vor Augen?

Prof. Ambacher

Wir versuchen, eine Brücke von Grundlagenforschung zu Anwendungen zu schlagen. Der Quanten Computer befindet sich meiner Einschätzung nach noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Wir müssen versuchen, den Quanten Computer so zu verbessern und weiterzuentwickeln, dass er für die Gesellschaft und die Unternehmen so nützlich wird, dass ein Markt entsteht und der Quanten Computer zum deutschen Ökosystem beiträgt.

Dr. Riel

Wenn ich Sie richtig verstehe, nutzen Sie Quanten Computer für Ihre eigene Forschung, die wissenschaftliche Forschung und beispielsweise Ihre Veröffent­lichungen.

Prof. Ambacher

Genau, damit verdienen wir unser Geld, um unsere wissenschaftlichen Projekte zu finanzieren. Wir verfassen Anträge für die Ministerien um den Betrieb und die Bezahlung der Studierenden zu finanzieren, die den Computer bedienen. Das ist ein wichtiger Teil.

Dr. Riel

Ich weiss nicht wie es Ihnen ging, aber ich erinnere mich noch heute daran, als ich den Quanten Computer zum ersten Mal in Ehningen gesehen habe – das System in dem die Berechnungen alle ablaufen, das eigentliche Herzstück. Wie empfanden Sie das und wie nutzen Sie den Computer zur Zeit?

Prof. Ambacher

Im Prinzip sehen Sie ja erst mal nicht viel, wenn Sie vor dem Quanten Computer stehen. Eigentlich sehen sie einen perfekten Kühlschrank, weil die Qubits gekühlt werden müssen, um die Fehlerwahrscheinlichkeit zu senken. Im Grunde machen wir im Moment folgendes: Wir arbeiten mit unseren üblichen Laptops und übertragen von dort den Quantenbits zeilenweise Aufträge um die Quantenzustände der Qubits auf kontrollierte Weise zu verändern, oder so kontrolliert wie wir eben können.
Das sind die ersten Schritte hin zum Verstehen und Testen des Quanten Computers, um seine Performance einzuschätzen. Das sind die ersten Schritte, die wir mit dem Quanten Computer hier in Ehningen unternommen haben.

Dr. Riel

Wenn Sie, „hier in Ehningen“ sagen, dann spielen sich natürlich die eigentlichen Vorgänge im Quanten ­Prozessor hier ab. Aber Sie kommen nicht nach ­Ehningen.

Prof. Ambacher

Nein, die Studierenden sitzen alle in unterschiedlichen Universitäten, beispielsweise 15 Studierende in Freiburg, die mit den normalen Laptops auf die ­Software-Plattform Qiskit von IBM zugreifen.

IBM leitet die Studenten in dem Gebrauch der ­Software-Plattform an, damit sie den ersten Algorithmus starten und mit dem Programmieren beginnen können, um sich so mit dem Quanten Computer ­System vertraut zu machen.

Dr. Riel

Sie erwähnen, dass die Studenten zur Zeit Kurse und Vorträge erhalten. Was müssen Studierende oder andere Interessierte wissen, wenn sie einen Quanten Computer nutzen möchten?

Prof. Ambacher

Sie brauchen einen Laptop oder einen eher einfachen Computer. Dank IBM nehmen sie an einer Art Programmierkurs für die open-access Plattform Qiskit teil, um mit Qubits umgehen zu lernen. Und dann können sie loslegen.

Nach meiner Erfahrung dauert es etwa 3 Wochen, bis sie ihre ersten einfachen Programme schreiben können, die Natur der Quanten verstehen und wissen wie die Qubits reagieren. Mit der Zeit werden sie mit den praktischen Anwendungsmöglichkeiten der Qubit-Technologie immer vertrauter.
Ich würde mal sagen, dass der Einstieg relativ einfach ist, weil IBM ein perfektes frei zugängliches Selbstlernsystem mit Links zur Verfügung stellt. Wenn jemand in Deutschland Probleme bei den ersten Schritten hat, helfen wir.
Fraunhofer übernimmt eine Art Administrator/­Koordinator-Funktion – ein Anruf genügt. Bisher konnten wir das Ganze für alle Kunden innerhalb von einigen Wochen zum Laufen bringen.

Auch die frühen Veröffentlichungen der IBM helfen den Studenten sehr. Denn dort beginnen sie beispielsweise mit der Simulation von Lithium-Wasserstoff-Verbindungen, um nachzuvollziehen, was IBM vor ein paar Jahren gemacht hat.
Sie können die selben Algorithmen eingeben, die gleiche Programmierung und dann die Ergebnisse vergleichen. Wie wir wissen, verhält sich ein Quanten Computer nicht jeden Tag ganz genau gleich. Es gibt kleine Änderungen im System und in der Performance des Systems.

Mit den so gewonnen Erfahrungswerten können wir beurteilen, wie zuverlässig das System arbeitet – die Hardware und auch die Software die wir via Laptop ansteuern. Aber es gibt auch einen Teil der Software, der die Aufgabe hat mit den „Fehlern“ des Quanten Computers umzugehen. Den müssen wir kennen.

Und wenn die Industrie uns fragt, was der Quanten Computer wirklich kann, welche Vorteile er hat, welche Risiken es gibt und wie er sich von den Computern die wir kennen unterscheidet, dann müssen wir den Kunden diese Auskünfte geben können. So wissen sie, welche Performance sie erwarten können und so können sie auch die richtigen Fragen zum Quanten Computer stellen.

Dr. Riel

Diese Informationen sind für mich super interessant. Vor 5 Jahren zogen wir mit dem ersten Quanten ­Computer in die Cloud. Vorher lief es ganz anders, damals musste man Physiker sein, um mit dem Quanten Computer kommunizieren und mit ihm arbeiten zu können.

Als wir das System öffneten, mussten wir zügig ­damit loslegen, die Software zu entwickeln. Das hat sich gelohnt, denn wie Sie beschreiben, ist es jetzt ­wesentlich einfacher.

Prof. Ambacher

Ja, wir haben Studierende vieler Fächer, auch aus der Biologie, Chemie, Physik oder dem Ingenieurwesen. Aber nicht nur an den Universitäten sitzen Interessierte, auch in den Unternehmen arbeiten sich die Leute ein.

Die Unternehmen haben gesagt, „Sie sind doch jung, gucken Sie sich das an, finden sie heraus, was Quanten Computer für uns tun können.“ So entsteht eine richtige Community aus vielen jungen Menschen, die sich immer intensiver damit befassen, wie unser Quanten Computer funktioniert und die damit arbeiten.

Dr. Riel

Wie Sie sagten, wächst die Qiskit-Community, es werden viele Materialien erstellt, es gibt einen Qiskit-YouTube-Kanal der sehr informativ ist und außerdem das „Textbook“. Das macht den Einstieg für alle leicht, die grundlegende Python Kenntnisse haben.

Wir versuchen natürlich auch, das System weiterzuentwickeln und die Benutzung noch einfacher zu gestalten. Für verschiedene Software Entwickler entwickeln wir weiter auf Seiten des Kernels, aber gleichzeitig auch auf Algorithmen Seite. Letztendlich soll der Endanwender dann gar nicht mehr bemerken, dass ein Quanten Computer an der Lösung seines Problems ­beteiligt war.

Prof. Ambacher

Ja, es sollte dann einfach ein Tool sein, das funktioniert. Aber es ist immer wichtig, zu wissen, wofür sich ein Tool eignet und wo seine Grenzen liegen. Irgendwann wird der Benutzer sich also mit dem System beschäftigen müssen und es ist ja auch faszinierend. Ich denke, wir sind da auf einem guten Pfad.

Dr. Riel

Was kann Quanten Computing Ihren Partnern bieten, an welchen Anwendungen besteht das größte Interesse?

Prof. Ambacher

Derzeit stehen wir in Kontakt mit der Chemie- und Pharmaindustrie. Dort würde man den Quanten ­Computer für die Einwicklung von Molekülen mit bestimmten Eigenschaften einsetzen.

Diese Branchen haben auch die finanziellen Mittel, um einen Quanten Computer zu betreiben oder zu kaufen. Wir verwenden den Quanten Computer in ­Ehningen mit seinen 27 Qubits, um die ersten Untersuchungen in der Quanten-Chemie durchzuführen. Es geht um die Simulierung von chemischen Reaktionen.

Momentan arbeiten wir mit einfachen Molekülen, die wenige Elektronen haben. Wir beobachten das quantenchemische Verhalten der Elektronen – sie sind Quantenobjekte. Und die Qubits und der Quanten Computer sind ebenfalls Quantenobjekte. Auf diese Weise kommen wir der Natur der Sache durch Vergleich der beiden viel näher als durch das Ein- und Ausschalten der Transistoren eines herkömmlichen Rechners.

Dr. Riel

Welche Anwendungsmöglichkeiten sehen Sie noch?

Prof. Ambacher

Otimierung scheint ein großes Thema zu sein. Beispielsweise bei einem Portfolio mit Gold und Silber oder Aktien wird man gefragt, welches Portfolio ­erzielt die beste Performance bei minimalem Risiko. Im Prinzip könnte das für einen Quanten Computer in der ­Zukunft eine gute Frage sein.

Eine weitere passende Aufgabe bezieht sich auf den Verkehr. Wir haben in Deutschland 300.000 LKWs auf der Straße und wie ich erfahren habe, sind diese in 58% der Fälle leer. Hier gibt es Optimierungspotential bei den Routen der LKWs und ihren Überschneidungspunkten, so dass der Warentransport von A nach B möglichst schnell und möglichst günstig vollzogen wird. Das wäre etwas für einen Quanten Computer.

Wenn die Eingabe aus einer Vielzahl an Zuständen, einer Vielzahl von Objekten besteht und sie eine Vielzahl von Zuständen als Ausgabe erwarten, dann ist ein Quanten Computer nach meiner Erfahrung optimal eingesetzt.

Dr. Riel

Also, überall dort, wo die Komplexität eines Problems exponentiell mit der Anzahl der Parameter steigt, dort können Quanten Computer optimal eingesetzt werden, während herkömmliche Computer an ihre Grenzen stoßen und mit Annäherungen arbeiten müssen. Welche Voraussetzungen sind für die Zusammenarbeit mit der Industrie zu schaffen?

Prof. Ambacher

Zunächst einmal haben IBM und Fraunhofer gemeinsam den Zugang zum System erleichtert. Schließlich ist es teuer, einen Quanten Computer zu bauen und zu unterhalten. Das kann sich nicht jedes kleinere Unternehmen oder jede Universität leisten.

Deshalb haben wir gemeinsam die Möglichkeit geschaffen, sich in Deutschland ein Monatsticket zu kaufen um den Quanten Computer zu testen. So kann der Ticket-Käufer den Quanten Computer nutzen, um seine Projekte darauf laufen zu lassen, das heißt beispielsweise mit einem Projekt eine wissenschaftliche Frage zu beantworten.

Hieraus erwächst eine ganze Menge neuer Herausforderungen und neuer Projekte für den Einsatz des Quanten Computers. Ferner gibt es Spin-offs. Wir gehen davon aus, dass diese eine wichtige Rolle im deutschen Quantentechnologie-Ökosystem spielen werden.

Auch diese brauchen einen kostengünstigen, einfachen Zugang zu einem Quanten Computer, um bestimmte Fragen zu beantworten. Sie können auch eigene Algorithmen oder Programme anbieten, um Probleme von größeren Unternehmen mit Hilfe der Quantenhardware von IBM zu lösen – also eine ­Einnahmequelle für die Spin-offs.

Einige unserer großen Unternehmenskunden arbeiten schon seit mehreren Jahren mit dem Quanten Computer und möchten ihre Daten und Ideen gerne auf einem deutschen System in Ehningen sicher wissen.

Dr. Riel

Ja, auch das macht es aus meiner Sicht so spannend. Ferner nimmt die Hardware Performance zu und die Quanten Prozessoren werden größer. Auch die ­Entwicklung der Algorithmen geht weiter und viele sehr fähige Menschen befassen sich mit dem Quanten Computer.

Sie entwickeln neue Methoden und die neuen ­Algorithmen sind komplexer. Aus all dem resultiert ein besseres Verständnis der aktuellen Systeme. Durch Software Entwicklung wird auch die Nutzung stetig einfacher. Ferner sieht unsere Hardware Road Map eine steigende Anzahl an Qubits und eine höhere Performance vor. Deshalb bin ich ziemlich optimistisch, dass wir bald so weit sein werden, die Quantum Advantage nachweisen zu können.

Auch das Zusammenspiel zwischen dem herkömmlichen Rechner und dem Quanten Computer ist wichtig. Derzeit arbeiten wir an der Quantenlaufzeit. Im Laufe des Jahres 2021 konnten wir schon einen 120fachen Performance-Gewinn unter Einsatz des Qiskit Runtime ankündigen.

Prof. Ambacher

Ja, die Optimierung geht jetzt sehr rasch voran.

Dr. Riel

Genau, deshalb sind wir beide auch so begeistert. Was wünschen Sie sich für die Zukunft?

Prof. Ambacher

Ich würde mir wünschen, dass alle die das Thema interessiert, Teil unseres Netzwerks werden. Schließlich reichen die Kapazitäten des Quanten Computers für viel mehr Benutzer. Alle sind willkommen und sollten Sie oder mich kontaktieren, um ihre eigenen Erfahrungen mit dem Quanten Computer zu erleben und sich mit der Zukunft vertraut zu machen.