13. September 2021
DLRmagazin 168 Titelstory

Qubits star­ten durch

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Quantencomputer in Stuttgart
Quan­ten­com­pu­ter in Stutt­gart
Bild 1/4, Credit: IBM Corporation

Quantencomputer in Stuttgart

27 Qubits des IBM Q Sys­tem One sind das Herz des Quan­ten­com­pu­ters im Fraun­ho­fer Kom­pe­tenz­zen­trum „Quan­ten­com­pu­ting Ba­den-Würt­tem­berg” in Eh­nin­gen bei Stutt­gart. Das DLR si­mu­liert auf dem Quan­ten­rech­ner ato­ma­re Vor­gän­ge in Bat­te­ri­en, um de­ren Leis­tung und Ener­gie­dich­te zu stei­gern.
DLR-Forschung im Bereich Quantenmetrologie
DLR-For­schung im Be­reich Quan­ten­me­tro­lo­gie
Bild 2/4, Credit: © DLR. Alle Rechte vorbehalten

DLR-Forschung im Bereich Quantenmetrologie

Die Quan­ten­me­tro­lo­gie er­mög­licht Zeit­mes­sun­gen von bis­her un­er­reich­ter Ge­nau­ig­keit – un­ter an­de­rem für viel prä­zi­se­re Na­vi­ga­ti­ons­sys­te­me.
Ultrakalte Quantengase in Schwerelosigkeit erforschen
Ul­tra­kal­te Quan­ten­ga­se in Schwe­re­lo­sig­keit er­for­schen
Bild 3/4, Credit: © DLR. Alle Rechte vorbehalten

Ultrakalte Quantengase in Schwerelosigkeit erforschen

Quan­ten­tech­no­lo­gi­en für den Welt­raum – zum ganz ir­di­schen Nut­zen: Im Pro­jekt BEC­CAL (Bo­se Ein­stein Con­den­sa­te and Cold Atom La­bo­ra­to­ry) un­ter­sucht das DLR ge­mein­sam mit der NA­SA ul­tra­kal­te Quan­ten­ga­se wie zum Bei­spiel Bo­se-Ein­stein-Kon­den­sa­te auf der Er­de und in Schwe­re­lo­sig­keit auf der ISS.
Der Kleinsatellit PIXL-1
Der Klein­sa­tel­lit PIXL-1
Bild 4/4, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Der Kleinsatellit PIXL-1

Eine neue Forschungsinitiative fördert Quantencomputing „Made in Germany“

Beitrag aus dem DLRmagazin 168

QUBITS STARTEN DURCH

Noch arbeiten die Algorithmen der modernsten Hochleistungsrechner mit Nullen und Einsen. Doch schon in naher Zukunft könnte das Historie sein. Unter der Leitung des DLR soll ein prototypischer Quantencomputer „Made in Germany“ entwickelt werden, der mittels Quantenbits (Qubits) neue Dimensionen für Wirtschaft, Wissenschaft und Gesellschaft erschließt sowie revolutionäre Entwicklungs(quanten-)sprünge ermöglicht. So sieht es ein aktueller Beschluss der Bundesregierung vor. Sie bewilligte insgesamt zwei Milliarden Euro, um das Thema Quantentechnologie in Deutschland zu fördern. Das DLR erhält davon 740 Millionen Euro, um im Rahmen der DLR-Quantencomputing-Initiative zusammen mit Industriepartnern, Start-ups und Forschungsgruppen dafür das wissenschaftliche und wirtschaftliche Umfeld aufzubauen.

Die Anfänge des Quantencomputings reichen zurück bis in die 1980er Jahre. 1982 schlug der amerikanische Physiker Richard P. Feynman ein theoretisches Konzept für Quantencomputer vor. Mit diesem sollten sich auch quantenphysikalische Phänomene exakt simulieren und erforschen lassen. In den 1980ern wurden erste Algorithmen entwickelt und in den 1990ern entstanden erste Quantencomputer mit einigen wenigen Qubits. Heute ist der internationale Wettlauf um konkrete Erfolge bei der Entwicklung und beim Bau von Quanten-computern in vollem Gange. US-Großkonzerne haben bereits experimentelle Rechner präsentiert, die auch von Forschungseinrichtungen wie der Fraunhofer-Gesellschaft und dem DLR genutzt werden. Die rasante Welt der Qubits Der neue Quantencomputer soll bisher unerreichte Rechenleistungen bringen und so neue wirtschaftliche und gesellschaftliche Möglichkeiten eröffnen sowie die internationale Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands steigern. Enorme Vorteile bringen Quantencomputer für die Daten- und Informationsverarbeitung, abhörsichere Verschlüsselungstechniken, künstliche Intelligenz, in der Materialforschung, der Medizin sowie in den Bereichen Energie und Verkehr, aber auch in der satellitengestützten Navigation und Kommunikation. Entsprechend haben die deutsche Wirtschaft und Industrie großes Interesse an Entwicklungen, Lösungen und Anwendungen aus dem Inland, schließlich verbleiben so Nutzungs- und Patentrechte in Deutschland

Die rasante Welt der Qubits

Der neue Quantencomputer soll bisher unerreichte Rechenleistungen bringen und so neue wirtschaftliche und gesellschaftliche Möglichkeiten eröffnen sowie die internationale Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands steigern. Enorme Vorteile bringen Quantencomputer für die Daten- und Informationsverarbeitung, abhörsichere Verschlüsselungstechniken, künstliche Intelligenz, in der Materialforschung, der Medizin sowie in den Bereichen Energie und Verkehr, aber auch in der satellitengestützten Navigation und Kommunikation. Entsprechend haben die deutsche Wirtschaft und Industrie großes Interesse an Entwicklungen, Lösungen und Anwendungen aus dem Inland, schließlich verbleiben so Nutzungs- und Patentrechte in Deutschland.

Das Qubit-Konzept
Das Qubit-Konzept
Qubits sind die kleinste Rechen- und Informationseinheit eines Quantencomputers. Sie basieren auf den Gesetzen der Quantenmechanik.
Credit: © Jackie Niam – stock.adobe.com

Der unschlagbare Vorteil dieser neuen Technologie ist ihre Überlegenheit bei hochkomplexen Berechnungen. Ein Quantencomputer könnte diese in kurzer Zeit lösen, während konventionelle Hochleistungsrechner vielleicht sogar Jahre dafür benötigen würden. Besonders vielversprechend ist es, hochkomplexe Quantensysteme mit einer großen Zahl wechselwirkender Atome, Ionen und Elektronen exakt simulieren zu können. Das können Wirkstoffmoleküle in Medikamenten sein oder quantenchemische Vorgänge an Batterieelektroden sowie Brennstoffzellen. Das Ziel ist, aus den quantenmechanischen Abläufen auf atomarer Ebene Rückschlüsse auf makroskopische Eigenschaften zu ziehen. Dies soll unter anderem die künftige Entwicklung von neuen Medikamenten oder Hightech-Materialien beschleunigen. Quantencomputer können dadurch enorme Innovationen hervorbringen – von der Grundlagenforschung bis zur industriellen Anwendung.

Quantentechnologie im DLR

In der Quantencomputing-Initiative des DLR sollen Forschungseinrichtungen, Industrie und Start-ups zusammenarbeiten, um Hardware, Software und Anwendungen zu entwickeln. Dabei bringt das DLR seine vielfältigen Kompetenzen in der Quantenforschung ein. Fast ein Dutzend Institute und Einrichtungen forschen in diesem Bereich. Das Institut für Quantentechnologien in Ulm sowie das Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik in Hannover wurden gerade eröffnet. Sie beschäftigen sich unter anderem mit dem Einsatz von Quantensensoren auf der Internationalen Raumstation ISS. Im Galileo-Kompetenzzentrum wird beispielsweise an hochpräzisen optischen Uhren für die satellitengestützte Navigation geforscht. Bis zum Bau eines deutschen Quantencomputers wird die DLR-Initiative Quantencomputing auch hybride Systeme umsetzen: Hochleistungsrechner erhalten so bereits einzelne Komponenten von Quantencomputern, um die enorme Dynamik des Quantencomputings für die Forschung nutzen zu können.

Prof. Dr.-Ing. Anke Kaysser-Pyzalla
Prof. Dr.-Ing. Anke Kaysser-Pyzalla
Vorstandsvorsitzende des DLR
Credit: DLR

BEREIT FÜR QUANTENSPRÜNGE

Drei Fragen an Prof. Dr.-Ing. Anke Kaysser-Pyzalla, Vorstandsvorsitzende des DLR

Welche Potenziale hat Quantencomputing für Wirtschaft, Wissenschaft und Gesellschaft?

: In der heutigen Gesellschaft sind wir einer sehr großen und heterogenen Datenflut ausgesetzt. Deren effektive Verarbeitung erfordert enorme Rechenkräfte. Mit dem Quantencomputing werden wir uns auf diese Entwicklung einstellen: Diese Technologie hat das Potenzial, durch enorme Beschleunigung bei der Berechnung spezieller, zum Teil mit klassischen Computern nicht lösbarer Problemstellungen die Computerwelt zu revolutionieren.

Welche Rolle kommt dem DLR dabei zu?

: Das DLR wird auf seine Erfahrungen im Management von Großprojekten zurückgreifen und die Initiative Quantencomputing leiten. Das bedeutet, die vom BMWi bereitgestellten Mittel für die Finanzierung von Projekten in Industrie, Start-ups und Forschung zu verwenden und die Weiterentwicklung von Quantencomputern koordiniert voranzutreiben. Dies soll in den Bereichen Hardware, Software und natürlich auch den Anwendungen selbst erfolgen. Nur im Rahmen einer solchen Vernetzung und mit einer strategischen Koordination werden wir gemeinsam das Ziel erreichen, die ersten deutschen Quantencomputer-Prototypen zu entwickeln und zu erproben.

Welche Schwerpunkte wird das DLR setzen, um ein entsprechendes ökonomisches und wissenschaftliches Umfeld aufzubauen?

: Wir fokussieren uns darauf, unterschiedliche technologische Ansätze zu verfolgen, um diese evaluieren und für entsprechende Anwendungen einsetzen zu können. Nur so lassen sich die Vor- und Nachteile verschiedener Architekturen für Quantencomputer erforschen. Dafür werden wir das erforderliche Ökosystem erschaffen, in dem die richtigen Partner gute Voraussetzungen finden, um miteinander zu kooperieren, in dem sich Forschung, Industrie und Start-ups mit ihren Kompetenzen gegenseitig ergänzen und Deutschland im Bereich des Quantencomputings umfassende Kenntnisse aufbauen und größtmögliche Unabhängigkeit erreichen kann.

Dr. Robert Axmann
Dr. Robert Axmann
Leiter der Abteilung Programmstrategie Raumfahrtforschung und -technologie
Credit: DLR

… und an Dr. Robert Axmann, Leiter der Abteilung Programmstrategie Raumfahrtforschung und -technologie

In welchen Anwendungsfeldern im Bereich Quantencomputing forschen die DLR-Institute und -Einrichtungen bereits heute?

: Das DLR hat in den letzten Jahren seine Kompetenzen und Infrastrukturen für das Quantencomputing deutlich ausgebaut. Neben den neu gegründeten Instituten und Einrichtungen forschen auch Institute, die bereits seit Längerem bestehen, in diesem Themenfeld: Es geht ihnen dabei primär um die Verwendung von Quantencomputern zur Verbesserung und Beschleunigung in der Modellierung, der Simulation und der Optimierung. Eine Vorreiterrolle spielen sicherlich auch unser Institut für Softwaretechnologie, das bereits seit 2015 an Algorithmen und Software für frühe Quantencomputer forscht, sowie unser Institut für Kommunikation und Navigation. Die Ressourcen des DLR reichen dennoch allein nicht aus, um Quantencomputing umfassend umsetzen zu können. Dies kann nun in Kooperationen innerhalb der Initiative stattfinden.

Die DLR-Quantencomputing-Initiative ist auf vier Jahre angelegt. Was sind die wichtigsten Ziele in diesem Zeitraum?

: Die Initiative bündelt alle Kräfte und Kompetenzen, um in diesem überschaubaren Zeitraum prototypische Quantencomputervarianten sowie deren Komponenten inklusive Anwendungen für wissenschaftliche, wirtschaftliche und sicherheitsrelevante Fragestellungen zu entwickeln. Eine Marktanalyse durch das DLR hat ergeben, dass dabei sowohl Hard- und Software als auch Anwendungen und die erforderliche Lieferkette berücksichtigt werden müssen.

Wie können sich interessierte Unternehmen, Start-ups oder Forschungspartner beteiligen?

: Das DLR wird – auf Basis einer Markterkundung – Ausschreibungen durchführen, auf die sich die Partner mit ihren Projekten bewerben können. Unsere Aufgabe ist es, zunächst die eingereichten Vorschläge zu evaluieren. Dann werden wir die verschiedenen Industrie- oder Start-up-Partner mit den Forschungseinrichtungen zusammenbringen, deren Ansätze und Ausrichtungen sich ergänzen. In der Regel erfolgt die Einbindung der Partner über die Beauftragung von Forschungsund Entwicklungsleistungen, den Ankauf bereits existierender Forschungsergebnisse oder die gemeinsame Forschung an Innovationszentren gegen Entgelt.

Maßgeblich beteiligte DLR-Institute und -Einrichtungen

Institut für Datenwissenschaften

Institut für Kommunikation und Navigation

Institut für KI-Sicherheit

Institut für Quantentechnologien

Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik

Institut für Softwaretechnologie

Institut für Technische Thermodynamik

Institut für Werkstoff-Forschung

Institut für Optische Sensorsysteme

Galileo Kompetenzzentrum

Raumflugbetrieb und Astronautentraining

Der Beitrag stammt aus dem DLRmagazin 168. Sie erhalten das DLRmagazin im Abo auch kostenfrei nach Hause geliefert. Hier finden Sie alle Ausgaben des DLRmagazins.

Quantencomputer kennen mehr als 0 und 1

Ein Quantencomputer arbeitet anders als ein klassischer Computer: Seine Quantenbits, kurz Qubits, folgen den Gesetzen der Quantenphysik. Diese beschreiben die Vorgänge auf atomarer Ebene. Die Bits eines klassisch arbeitenden Computers kennen nur zwei Zustände: 0 und 1. Qubits sind in der Lage, unendlich viele Zwischenwerte annehmen. Auf Basis der Quantenphysik können zudem neuartige Algorithmen entstehen. Quantencomputer werden so vielleicht Probleme lösen, an denen klassische Computer scheitern. Als Qubits dienen quantenphysikalische Objekte, wie beispielsweise Elektronen, Atome, Ionen oder Lichtquanten. Quantencomputer ermöglichen eine ganz neue, bislang unvorstellbare Informationsverarbeitung in Forschung, Wissenschaft und Wirtschaft.

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