Quantencomputer für Deutschland: Land plant Milliarden ein

31.08.2021 Quantencomputer gelten als vielversprechende Zukunftstechnologie - und als komplex und teuer. Ein niedersächsischer Forschungsverbund entwickelt einen der superschnellen Rechner für Deutschland. Die Experten wissen genau, wo sie selbst im weltweiten Vergleich stehen.

Friederike Giebel, wissenschaftliche Mitarbeiter, arbeitet im Reinraumlabor zur Herstellung von Mikrochips für Quantenprozessoren in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt PTB. Foto: Julian Stratenschulte/dpa © dpa - Deutsche Presse-Agentur GmbH

Von Science Fiction hin zu Science Facts: Quantencomputer gelten als einer der wichtigsten technologischen Durchbrüche - und niedersächsische Forscher wollen die neue Technologie mit Milliardensummen entscheidend voranbringen. Mehr als 1,5 Milliarden Euro sollten bis 2030 in die Quantentechnologie fließen, kündigte der niedersächsische Forschungsverbund «Quantum Valley Lower Saxony» an. Bis 2025 soll demnach der erste Quantencomputer der Forscher aus Hannover und Braunschweig in Betrieb genommen werden - und ein erster Prototyp werde bereits getestet.

Auf dem Weg zur kommerziellen Nutzung der neuen Technologie gelten Google und IBM als führend, aber auch Amazon arbeitet an einem Quantencomputer. Um nicht zu sehr von US-Anbietern abhängig zu sein, hatte die Bundesregierung zwei Milliarden Euro für die Entwicklung von Quantencomputern freigegeben. Aus diesen sowie weiteren Geldern aus Forschung und Industrie soll das niedersächsische Projekt finanziert werden. Quantencomputer können bestimmte Aufgaben wesentlich schneller und effizienter lösen als klassische Computer - etwa Daten für die Telefonie schneller auswerten und verarbeiten, erklärte der niedersächsische Wissenschaftsminister Björn Thümler.

Wissenschaft und Industrie seien auf Rechnerkapazitäten angewiesen, die in immer kürzerer Zeit immer komplexere Rechenoperationen bewältigen, sagte der CDU-Politiker. Mit Hilfe des Verbunds solle «aus Science Fiction Science Facts werden». Die Forschungsallianz solle den «Sprung in die Weltspitze der Quantencomputer-Entwicklung» schaffen, wie der Präsident der beteiligten Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, Prof. Joachim Ullrich, sagte. «Die ersten Schritte sind gemacht», sagte der Präsident der Leibniz-Universität Hannover, Prof. Volker Epping.

Entscheidend dürfte dabei die sogenannte Ionenfallentechnologie sein: Quantencomputing mit gefangenen Ionen bedeutet, dass Ionen, also geladene Atome, als Grundrecheneinheit des Computers verwendet werden - ein Ion ist ein Qubit. Mit Hilfe elektrischer Felder werden Ionen eingefangen, per Mikrowellensignal kontrolliert und per Laser ausgelesen. Prof. Christian Ospelkaus vom Institut für Quantenoptik der Leibniz-Universität zeigte eine Ionenfalle, einen Zwei-Qubit-Chip von der Größe eines Mikrochips - grundlegende Rechenoperationen seien schon da. Unterschiedliche elektrische Spannungen hielten die Ionen oberhalb der Oberfläche fest.

Allerdings seien alle vorhandenen Quantencomputer bisher «im Grunde nur Demonstrationscomputer», erklärte Ospelkaus. Und: Man dürfe nicht nur auf die Qubit-Zahl schauen, sondern auch auf die Qualität der Rechenoperationen. Google liege derzeit bei einem Fehleranteil von einem Prozent, aber erst bei einer Rate unter 0,01 Prozent funktioniere die Fehlerkorrektur. Der niedersächsische Verbund liege bei 0,1 Prozent und sei der Schwelle nahe. Ionenfallen seien außerdem nicht nur klein, sondern könnten auch den Betrieb von Quantenprozessoren bei Raumtemperatur ermöglichen.

Mit dem Quantencomputer reagieren Forschung und Industrie auf die Tatsache, dass die Entwicklung von Hochleistungscomputern an ihre physikalischen Grenzen stößt. Ein Quantencomputer speichert Informationen nicht in Form von Bits, die nur zwei mögliche Zustände annehmen können, nämlich Eins oder Null. Ein Qubit eines Quantencomputers kann dagegen auch alle Zustände dazwischen einnehmen. Daher steigt die Menge der Informationen, die ein Quantencomputer speichern und verarbeiten kann, exponentiell mit der Zahl der Qubits. Der neue niedersächsische Quantencomputer soll 50 Qubits haben. Von 50 auf 1000 Qubits zu kommen sei dann nur noch eine Frage des Geldes, sagte Thümler.

Schwierig ist laut Verbund der Weg hin zur Kommerzialisierung. Das «Quantum Valley Lower Saxony» decke jedoch Halbleiter- und Lasertechnologie sowie die Programmierung von Quantenalgorithmen und Software für künstliche Intelligenz ab. Im Reinraumzentrum der Bundesanstalt könnten Prototypen der Ionenfallen hergestellt werden, die Technische Universität Braunschweig habe etwa Quantensensoren für einen neuartigen und hochempfindlichen Corona-Schnelltest entwickelt. Künftig solle ein ganzes Ökosystem mit Algorithmen und Software angeboten werden - aber zuerst sei geplant, Rechenzeit zu verkaufen, sagte Prof. Piet Schmidt von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt.

Das Potenzial der neuen Technologie ist nach Einschätzung des Ministers «riesengroß» und für die Volkswirtschaft ein «absolutes Muss». Er mahnte mehr Geld für die Forschung an. Schmidt betonte allerdings, klassische Computer werde der Superrechner nicht ersetzen, es werde «nie Windows darauf laufen».

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