Was man zum neuen Quantencomputer in Garching wissen muss

Die Rechenleistung ist riesig, dennoch können selbst Supercomputer manchmal komplexe Aufgaben nicht lösen. Quantencomputer als völlig neue Generation von Superhirnen sollen Abhilfe schaffen. In Deutschland geht es mit dieser Technologie nun einen großen Schritt voran. 

Am Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) der Bayerischen Akademie der Wissenschaften in Garching bei München ist der Quantencomputer Euro-Q-Exa offiziell in Betrieb gegangen. Die Antworten auf die wichtigsten Fragen. 

Was ist das Besondere an dem System in Garching? 

Der Quantencomputer wird direkt in den dortigen Supercomputer SuperMUC-NG integriert. Das LRZ verfolgt damit das Ziel, Quantencomputer als Beschleuniger für klassische Supercomputer zu nutzen. Anstatt die Quantencomputer alleine rechnen zu lassen, übernimmt der neue Quantenrechner extrem komplexe Teilaufgaben. Das könnten etwa chemische Simulationen oder logistische Optimierungsaufgaben sein. Der klassische Supercomputer würde die restliche Datenverarbeitung steuern. 

Wie aufwendig ist der Betrieb des Quantencomputers? 

Der Quantencomputer Euro-Q-Exa ist ein System auf Basis von supraleitenden Qubits, es muss bis auf minus 273 Grad gekühlt werden. Dennoch sei der Strombedarf geringer als der des SuperMUC-NG, erläuterte eine LRZ-Sprecherin. 

Woher stammt der neue Quantencomputer? 

Weltweit führend bei der Entwicklung von Quantencomputer sind die USA, gefolgt von China, das mit massiven staatlichen Investitionen eine Aufholjagd gestartet hat. Die Anlage in Garching stammt jedoch aus Finnland. Das Unternehmen IQM, das den Quantencomputer am LRZ gebaut hat, ist eine finnisch-deutsche Ausgründung der Aalto-Universität. 

Deshalb kam zur Eröffnung auch die EU-Vizepräsidentin für Technologie, Henna Virkkunen, die aus Finnland stammt. In Virkkunens Zuständigkeitsbereich fällt das EuroHPC Joint Undertaking. Diese Organisation hat den Quantencomputer am Leibniz-Rechenzentrum in München mitfinanziert. 

Was sind die Unterschiede zwischen einem klassischen Supercomputer und einem Quantenrechner? 

Während ein klassischer Supercomputer Informationen nacheinander als eindeutige Bits (0 oder 1) verarbeitet, nutzt ein Quantencomputer Qubits, die dank physikalischer Gesetze viele Zustände gleichzeitig einnehmen können. Dadurch muss der Quantenrechner komplexe Lösungswege nicht einzeln ausprobieren, sondern kann riesige Datenmengen simultan durchsuchen, um die optimale Antwort fast augenblicklich zu finden. In der Praxis fungiert der Quantenrechner daher nicht als Ersatz, sondern als hoch spezialisierter Beschleuniger für Aufgaben, an denen herkömmliche Supercomputer aufgrund ihrer schieren mathematischen Komplexität scheitern. 

Wofür könnten solche Computeranlagen in der Praxis dienen? 

In der Chemie- und Pharmaforschung könnte mit Hilfe der Anlage eine Art digitales Reagenzglas entstehen. Da Moleküle selbst Quantenobjekte sind, können sie von der Hybridanlage viel naturgetreuer simuliert werden als von herkömmlichen Rechnern. Denkbar sind Anwendungen in der Batterieforschung oder bei der Suche nach Wirkstoffen, wenn Pharmaunternehmen simulieren, wie passgenau ein neues Medikament an ein Virusprotein andockt. Damit könnte eine jahrelange Suche im Labor abgekürzt werden. 

In Garching arbeitet man aber auch an neuartigen Konzepten, etwa für das Flugplanmanagement. Damit sollen unter anderem massive Verspätungen durch Unwetter verhindert werden, weil hunderte Flugzeuge und Crews so umgeleitet werden, dass der Betrieb am effizientesten weiterläuft. Forschungsgegenstand ist auch das autonome Fahren. Hierbei sollen Tausende von Routen in Echtzeit optimiert werden, um Staus in einer Stadt wie München komplett zu verhindern. 

Kann das LRZ künftig Verschlüsselungen knacken? 

Tatsächlich wird in der Szene das Thema Verschlüsselung und Quantentechnik heiß diskutiert. Perspektivisch werden Quantencomputer irgendwann in der Lage sein, die derzeit eingesetzten Verschlüsselungsverfahren - etwa beim Homebanking oder bei der Kryptowährung Bitcoin - zu knacken, wenn diese bis dahin nicht verbessert werden. 

Abgesehen davon, dass vorwiegend Wissenschaftler den neuen Quantencomputer des LRZ nutzen, würde die Rechenleistung der Anlage in Garching auch für derartige Anwendungen nicht reichen. 

Der Rechner in Bayern hat zum Start zunächst 54 Qubits, zum Jahresende wird er nochmals um ein Element von bis zu 150 Qubits erweitert. Um einen heute üblichen RSA-2048-Schlüssel, wie er beim Homebanking eingesetzt wird, zu knacken, würde man derzeit nach Schätzungen von Forschern etwa 20 Millionen Qubits benötigen. Beim Bitcoin-Verfahren ECDSA (Elliptic Curve Digital Signature Algorithm) bräuchte ein Quantencomputer nach Berechnungen von Forschern der University of Sussex in Großbritannien mindestens 317 Millionen physische Qubits, um einen privaten Schlüssel innerhalb einer Stunde zu errechnen.