Marktreife schon 2030?

Quantenrechner: Europa steht vor Technologiesprung

Quantencomputer könnten die Welt nach Einschätzung von Experten sogar noch grundlegender verändern als KI.(Bild: SaxonQ)

Die nächste technische Revolution kommt recht unscheinbar daher: Ein schwarzer Kasten von der Größe eines Kühlschranks, der an einer Steckdose hängt. In seinem Inneren arbeitet jedoch ein mit Diamantchips ausgerüsteter Quantencomputer des Leipziger Start-ups SaxonQ, der in einigen Jahren traditionelle Hochleistungsrechner in puncto Geschwindigkeit in den Schatten stellen könnte.

„Wir zeigen, dass die Technologie schon bald in der Energieversorgung, der medizinischen Forschung, bei Künstlicher Intelligenz (KI) und vielen anderen Industrien den entscheidenden Vorteil bringen wird“, sagt SaxonQ-Mitgeschäftsführer Frank Schlichting.

Quantencomputer könnten die Welt nach Einschätzung von Experten grundlegender verändern als KI, weil sie bestimmte Aufgaben um ein Vielfaches schneller erledigen als bisherige Superrechner. Anders als bei anderen Technologien seien Deutschland und Europa hier nicht abgehängt, betont Leon Koch, Mitgründer und Chef der Münchener Firma Peak Quantum. „Deshalb ist es jetzt wichtig, am Ball zu bleiben.“ Um dies zu unterstützen, hat die deutsche Bundesregierung den Entwicklerwettbewerb Quantum Computing Competition (QCC) ins Leben gerufen. Dort bewerben sich Unternehmen und Forschungseinrichtungen um insgesamt 640 Millionen Euro an Fördergeldern. Sie sollen bis 2030 mindestens zwei industriell nutzbare Quantencomputer auf Spitzenniveau entwickeln.

Verschiedene technische Ansätze
Die Technologie steckt allerdings noch in den Kinderschuhen. Zudem ist unklar, welcher der verschiedenen Ansätze sich durchsetzen wird. Während SaxonQ auf Diamantchips setzt, vertrauen andere Entwickler auf supraleitende Prozessoren. Diese werden auf etwa minus 273 Grad Celsius heruntergekühlt, damit Strom widerstandslos fließen kann. Eine weitere Gruppe manipuliert elektrisch geladene Atome in einer „Ionenfalle“ mit Lasern oder Mikrowellen, um sogenannte Qubits zu erzeugen.

SaxonQ aus Leipzig arbeitet an einem Quantenprozessor, der klein genug ist, um ihn in Roboter oder selbstfahrende Fahrzeuge einzubauen.(Bild: SaxonQ)

Diese bilden die kleinste Recheneinheit eines Quantencomputers. Anders als Bits in herkömmlichen Rechnern nehmen Qubits nicht nur die Zustände Null oder Eins an, sondern theoretisch unendlich viele Zwischenzustände. Dadurch können mehrere Rechenschritte gleichzeitig abgearbeitet werden. Außerdem benötigen die Anlagen deutlich weniger Strom als ein herkömmlicher Server. Je nach technischem Ansatz liefert bereits eine Haushaltssteckdose ausreichend Energie. Quantencomputer sind jedoch nicht für alle Aufgaben gleich gut geeignet. Ihre Stärken spielen sie unter anderem bei der Ver- und Entschlüsselung von Daten, der Berechnung optimaler Routen für Speditionen oder bestimmten KI-Anwendungen aus. Daher werden Quantencomputer und traditionelle Hochleistungsrechner sich künftig wohl den Platz in Rechenzentren teilen.

Hohe Fehleranfälligkeit
Allerdings reagieren Quantencomputer extrem empfindlich auf äußere Einflüsse. Der Aufwand für die Fehlerkorrektur steigt daher mit jedem zusätzlichen Qubit exponentiell. Komplexe Algorithmen verschärfen das Problem. „Störungen sind sozusagen der Endgegner des Quantenrechnens“, erläutert Jens Eisert, Professor am Dahlem Center for Complex Quantum Systems der Freien Universität Berlin.

Daher sind die hohen Qubit-Zahlen, mit denen Konzerne wie Google und IBM auftrumpfen, nur bedingt aussagekräftig. Weil ein Großteil von ihnen für die Fehlerkorrektur benötigt wird, bleiben bisher für die eigentlichen Berechnungen nur eine Handvoll fehlerkorrigierter, „logischer“ Qubits übrig, zu wenige für den kommerziellen Einsatz. Hierfür gilt eine dreistellige Zahl logischer Qubits als Minimum.

Einige Forscher versuchen, die Fehlerkorrektur mithilfe von KI zu verbessern. Peak Quantum, das aus einer Forschungsgruppe des Walter-Meißner-Instituts hervorgegangen ist, setzt dagegen auf speziell bearbeitete Materialien und verändertes Chip-Design, um die Fehleranfälligkeit zu verringern. „Das Rennen um Quantencomputer ist offen“, betont Jan Leisse, Mitgründer und Vorstandschef des Start-ups EleQtron. „Es sind viele Player im Spiel, aber der große Durchbruch ist noch keinem gelungen.“ Das deutsche Unternehmen setzt bei der Konstruktion seiner Ionenfallen-Quantencomputer auf handelsübliche Bauteile aus der Elektronikindustrie. Das soll eine Serienproduktion erleichtern.

Vom Prototyp zum marktreifen Produkt
Bei diesem technologischen Wettbewerb lieferten sich die USA, China und Europa ein Kopf-an-Kopf-Rennen, sagt Alexander Glätzle, Mitgründer und Chef von PlanQC. Die Quantenrechner dieser Firma, einer Ausgründung des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik, arbeiten ebenfalls bei Raumtemperatur. „Wir haben gute Chancen, weiterhin zur Weltspitze zu gehören – dank führender Forschungsinstitute, einer hohen Dichte an Talenten im Bereich Quantentechnologie und gezielter öffentlicher Förderprogramme.“ Darüber hinaus gebe es in Europa eine Vielzahl hoch spezialisierter Zulieferbetriebe.

Eine Hürde auf dem Weg vom vielversprechenden Prototyp zum marktreifen Quantencomputer „Made in Europe“ sei jedoch der Mangel an finanziellen Mitteln, erläutert Jan Goetz, Mitgründer und Chef von IQM.

In der Anfangsphase finde ein Start-up noch vergleichsweise einfach Wagniskapitalgeber. Ab einer bestimmten Unternehmensgröße werde es jedoch schwierig, weil es in Europa kaum Fonds gebe, die 100 oder 200 Millionen Euro auf einmal investierten. Zudem fehle es an Großkonzernen wie Google oder IBM, die Milliarden in neue Technologien pumpen könnten. IQM habe sich daher dazu entschlossen, neben Helsinki auch in New York an die Börse zu gehen, um Zugang zu US-Kapital zu erhalten.

Das deutsch-finnische Unternehmen ist nach eigenen Aussagen Weltmarktführer der Quantencomputerbranche mit bisher 27 verkauften Systemen. Ähnlich wie die Konkurrenzprodukte stehen die IQM-Rechner bisher meist in Forschungseinrichtungen.