Das ist der Quanten-Sprung

Leistungsstarke Post aus Übersee – Europas größte anwendungsorientierte Forschungsorganisation, die Fraunhofer-Gesellschaft in Ehningen bei Stuttgart, erhielt vor einigen Monaten eine ganz besondere Lieferung aus den USA: den Quantencomputer IBM Quantum System One, den es bislang nur in den New Yorker Rechenzentren von IBM gibt.

Die Fraunhofer-Gesellschaft setzt darauf, dass das Quantum System One den Weg für künftige industrielle Anwendungen für diese neue Art des Rechnens ebnen wird. Damit sollen zudem Forschungsvorhaben beschleunigt und die Ausbildung von Fachkräften für das Quantencomputing vorangetrieben werden.

Diesem ersten Schritt, der die Quantentechnologie von IBM kommerziell voranzutreiben soll, werden weitere folgen. Im Juli soll ein Quantencomputer in Japan zum Einsatz kommen, und auch an der Cleveland Clinic in Ohio soll die Technologie installiert werden.

„Quantencomputing eröffnet neue Möglichkeiten für Industrie und Gesellschaft”, sagt Dr. Hannah Venzl, Koordinatorin des Fraunhofer-Kompetenznetzwerks Quantencomputing. „Medikamente und Impfstoffe lassen sich mithilfe dieser Technologie schneller entwickeln, Klimamodelle verbessern, Logistik- und Transportsysteme optimieren oder neue Materialien effizienter simulieren. Um das alles zu ermöglichen und um die rasante Entwicklung auf dem Gebiet des Quantencomputings aktiv mitzugestalten, müssen wir in Europa Kompetenzen aufbauen.”

Das gilt natürlich nicht nur für Europa, sondern weltweit: Der Aufbau von Know-how ist essentiell, um eine Quantencomputing-Industrie zu schaffen. Wir gehen davon aus, dass wir noch innerhalb dieses Jahrzehnts einen „Quantenvorteil“ erreichen werden: Den Punkt, an dem Quantencomputer genauere und rechnerisch günstigere Lösungen liefern oder es uns sogar erlauben, Lösungen für Probleme zu berechnen, die heute noch unlösbar sind. Wenn das passiert, werden diese Rechner vermutlich die Welt verändern. Doch die Welt muss auch vorbereitet sein: mit qualifizierten, kreativen und ergebnisorientierten Fachkräften.

Das könnte unsere Quantenzukunft sein – und da derartige Rechner gerade überall auf der Welt auftauchen, ist diese Zukunft vielleicht schon näher als mancher denkt.

Quanten-Fachkräftemangel jetzt gezielt angehen!

„Und wie sieht es aus, das IBM Quantum System One“, mögen Sie sich jetzt fragen. Der Fraunhofer-Neuzugang ist spiegelschwarz und glänzend. Hinter den riesigen Türen der Anlage, die aus demselben Glas bestehen, das auch die Mona Lisa im Louvre schützt, ist ein zylinderartiges Gebilde zu sehen, in dem der 27-Qubit-Falcon-Prozessor von IBM steckt – bei Temperaturen, die kälter sind als im Weltraum. Er ist der fortschrittlichste Quantenprozessor, der mit dem Besten ausgestattet ist, dass diese Technologie zu bieten hat, mit der er lange Kohärenzzeiten und exakte, rauscharme Operationen mit einer Präzision von etwa 10-20 Watt ermöglicht.

Noch ist Fraunhofer der einzige Standort außerhalb der USA, der ein IBM Quantum System One besitzt. Doch das Interesse an Quantentechnologien ist in den vergangenen zehn Jahren stetig gestiegen. Auf fast allen Kontinenten gibt es mittlerweile Quantencomputing-Start-ups, und neben IBM machen auch andere Tech-Giganten Fortschritte auf diesem Gebiet. Insgesamt könnte sich der globale Markt für Quantentechnologien in Kürze auf nahezu 22 Milliarden US-Dollar belaufen.

Soweit die Erfolgsnachrichten. Es gibt aber auch ein paar Hürden, die überwunden werden müssen. Denn auch wenn Investitionen in die Forschung und die Forschung selbst extrem wichtig sind, werden sie nicht ausreichen, um die Diskrepanz zwischen der Entwicklung des Quantencomputings und einer groß angelegten Kommerzialisierung zu überwinden. Nur ein Bruchteil der Unternehmen ist derzeit in der Lage, eine derartige Technologie sinnvoll zu nutzen. Den meisten Unternehmen fehlt es an den geeigneten Mitarbeitern, die Quantencomputer nutzen, irgendeine Art von Quantenprogrammierung durchführen können oder auch nur eine Vorstellung davon haben, wie ein Quantencomputer ihnen helfen könnte. Es gibt nur wenige konkrete Quantentechnologie-Trainings oder -Weiterbildungsoptionen und nur wenige Stellen, in denen Quantencomputer-Kenntnisse gefordert werden.

Deshalb sind Partnerschaften wie die zwischen IBM und Fraunhofer so wichtig – auch wenn dabei kein Quantencomputer gekauft werden muss, um diese Technologie zu nutzen. Derzeit greifen 150 Organisationen in IBMs Quantum-Netzwerk über die Cloud auf IBMs Quantenflotte zu – darunter Forschungslabore, Start-ups, Universitäten und Unternehmen. Trotzdem hilft es, einen solchen Rechner direkt vor Ort zu haben, um mehr Daten lokal verarbeiten zu können. Das Fraunhofer System One, das vor einigen Wochen in Testbetrieb genommen wurde, ist bereits fleißig im Einsatz. Die Forscher in Ehningen fokussieren sich auf Quantenoptimierung und erkunden neue Simulationsansätze für Materialien in Energiespeichern. Ein weiteres Ziel ist es, Finanzportfolios zu optimieren und die Stabilitätsparameter in Energieversorgungsinfrastrukturen zu verbessern. Mithilfe des Quantencomputers wollen sie sogar die Grenzen des Deep Learning ausloten – mit Quantum Machine Learning.

„Wir haben bei Fraunhofer eine mehr als 70-jährige Expertise in angewandter Forschung und Industrieprojekten und sind eng mit der Industrie vernetzt”, sagt Venzl. „Die Ausbildung am System wird uns helfen, praktische Anwendungen zu entwickeln und wichtige Kompetenzen in der deutschen Industrie und bei Fraunhofer selbst aufzubauen.”

Der Ball bei Fraunhofer rollt jedenfalls – aber den Rechner hierher zu bekommen, war nicht einfach.

Bauanleitung für den Quantum System One – aus der Ferne

Die Corona-Pandemie behinderte die Montageplanung, denn der Zusammenbau musste „remote“ erfolgen: „Ich war im Oktober 2019 vor Ort und hatte die Gelegenheit, direkt mit dem Team zu sprechen, das am Design arbeitete“, berichtet Chris Lirakis, IBM Quantum Lead for Quantum Systems Deployment, der im IBM-Labor in Yorktown Heights bei New York arbeitet. „Dabei konnte ich mit allen Beteiligten, wie zum Beispiel den Elektro- und Sanitärfachleuten, die Pläne im Detail durchgehen. Nur so kann man die Körpersprache der Mitarbeiter lesen und kulturelle sowie sprachliche Unterschiede berücksichtigen.”

Doch so konnte es leider nicht weitergehen.

Aufgrund der Pandemie konnte das US-Team nicht nach Deutschland fliegen. Stattdessen griffen die IBM-Experten auf von der NASA inspirierte Techniken der Fernmontage zurück und gaben damit den Anforderungen der Pandemie nach Social Distancing und Fernarbeit eine ganz neue Dimension. Aus mehr als 6.400 Kilometern Entfernung arbeitete das US-Team mit den deutschen Ingenieuren des lokalen IBM-Entwicklungslabors zusammen, um den Kryostaten, ein Kühlsystem mit speziellen Zirkulationsrohren für kryogene Flüssigkeiten und den IBM Falcon Quantenprozessor, ein extrem empfindliches mikroelektronisches Gerät, zu installieren. Eine der Versandkisten wurde speziell vibrationsisoliert. Sie enthielt stoßdämpfendes Material und Halterungen, die sich verschrauben ließen, so dass sie nicht umkippen konnte.

Alle Belange der Quantum System One-Installation liefen bei dem IBM-Team in Deutschland zusammen, es fehlte aber die Erfahrung im Zusammenbau des gesamten Systems. Also entwickelten Chris Lirakis und seine Kollegen einen ausführlichen Kurs in Quantenmontage für die deutschen Ingenieure. Einige Wochen saßen sie so alle gemeinsam mehrere Stunden am Tag in einem virtuellen Klassenzimmer. Das US-Team musste aufgrund der Zeitverschiebung um zwei Uhr nachts Telefonkonferenzen mit den deutschen Kollegen einplanen, um so zur deren Arbeitsstart am Morgen Absprachen treffen zu können. Freitags, zur Mittagszeit an der US-Ostküste, stießen die beiden Teams dann nach Feierabend mit einem Bier an. Hand in Hand gelang es ihnen, den Quantencomputer pünktlich zum ursprünglichen, vor Corona erstellten Zeitplan im Januar 2021 online zu stellen.

Frühzeitig quantenfähig werden

Auch wenn sich das Quantensystem bei Fraunhofer befindet, können es Wissenschaftler und Studenten außerhalb des Instituts für zivile Forschung und Lehre nutzen. Wer Zugang wünscht, benötigt einen Vertrag, die Nutzung erfolgt dann auf Basis eines Monatstickets, das den Partnern Flexibilität ohne langfristige Bindung bietet.

Jeder neue Forscher, der mit dem Rechner arbeitet, sei es im Labor oder über die Cloud, wird dazu beitragen, das Rinnsal an Quantenwissen in eine Flut zu verwandeln, die für das künftige Quantenzeitalter so wichtig ist. Wir brauchen mehr Kooperationen wie diese zwischen Forschern und Studenten, um eine vielfältige, quantenfähige Expertise zu schaffen und Karrieren in den Quantentechnologien der Zukunft zu ermöglichen.

Das Schlüsselwort heißt „Vielfalt“.

Wissenschaftler und Studenten, die Quantencomputer nutzen, sollten nicht nur Physiker oder Programmierer sein, wie es heute oft der Fall ist. Ein erfolgreiches Quanten-Ökosystem braucht Quantencomputer-Ingenieure, Informatiker, Techniker, Experten für Optik und Photonik und sogar Wirtschaftswissenschaftler, Marktführer und Kommunikationsspezialisten.

Wir benötigen qualifizierte Quantenprogrammierer, um Bibliotheken von Quantenalgorithmen für spezifische Probleme in verschiedenen Bereichen zu erstellen. Wir brauchen Quantenexperten, um Software und Hardware weiter zu verbessern und den Kern der Quantencomputertechnologie voranzutreiben. Und wir brauchen Unternehmen, die ein ausreichendes Quantenbewusstsein haben, um zu erkennen, dass ein Quantencomputer ihnen helfen kann, ihren Output deutlich zu verbessern und vielleicht Produkte zu schaffen, die sie heute noch nicht herstellen können.

Sind die Technologie und das Ökosystem ausgereift, werden Tausende von neuen Jobs entstehen. Wir müssen den Quanten-Fachkräftemangel jetzt angehen und sicherstellen, dass es genügend qualifizierte, wissenshungrige Menschen gibt, um alle Bereiche zu besetzen. Um den größten Nutzen aus der Technologie zu ziehen, müssen wir überall auf der Welt vorbereitet sein, bevor die Technologie bereit ist.

Kooperationen wie die mit Fraunhofer werden dabei helfen, das Quantencomputing zu demokratisieren und ein lebendiges Ökosystem aufzubauen, um die Welt quantenfähig zu machen – und so unsere Quantenzukunft aktiv und erfolgreich zu gestalten.

Mehr Informationen rund um die Präsentation des IBM Quantum System One in Ehningen gibt es unter https://www.ibm.com/de-de/events/quantum-opening

Den Mitschnitt der Einweihungsveranstaltung vom 15. Juni 2021 finden Sie hier.