Deutschlands erster Quantencomputer geht ans Netz

„Derzeit leistungsstärkstes System in Europa“

Im digitalen Beisein von Bundeskanzlerin Angela Merkel und Forschungsministerin Anja Karliczek sowie dem baden-württembergischen Ministerpräsidenten Winfried Kretschmann enthüllten die führenden Köpfe von Fraunhofer und IBM am 15.06.2021 im baden-württembergischen Ehningen den ersten Quantencomputer in Deutschland – den „IBM Quantum System One“ – mit 27 Qubits das derzeit leistungsstärkste System in Europa, an dem Industrie und Forschungsorganisationen jetzt unter deutschem Recht anwendungsbezogene Quantensoftware entwickeln, testen und ihre Kompetenzen ausbauen können.

IBM Quantum System One – Foto © IBM Research

Nachhaltiger Verkehr, die schnellere Entwicklung neuer Materialien oder Medikamente, effizientere Analysen komplexer Finanzströme – das sind nur einige Bereiche, in denen Quantencomputer in Zukunft neue Türen öffnen werden. Bis dahin gilt es, die dafür nötigen Quantenalgorithmen zu entwickeln. Mit dem nun vorgestellten System steht Unternehmen und Institutionen erstmals eine sichere Forschungsplattform zur Verfügung, um ihre Expertise auf- und auszubauen sowie quantenbasierte Rechenstrategien mit Blick auf die Anwendungen auszuprobieren. Gemeinsam mit IBM betreibt die Fraunhofer-Gesellschaft den Quantencomputer in Ehningen nahe Stuttgart. Das Besondere: Alle verarbeiteten Projekt- und Nutzerdaten verbleiben zu jeder Zeit in Deutschland und unterliegen deutschen Datenschutzbestimmungen.

„Das Interesse, Quantencomputing als zukünftige Schlüsseltechnologie für die Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit und technologischen Souveränität in die Anwendung zu bringen, ist sowohl in der Forschung als auch in der Industrie groß. Wir bieten mit unserer Plattform Großkonzernen, KMU, Start-ups und Forschungseinrichtungen die Möglichkeit, Kompetenzen aufzubauen sowie neue Anwendungsmöglichkeiten und Geschäftsmodelle zu testen“, so Prof. Reimund Neugebauer, Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft, und ist sich sicher: „Die wegweisende Initiative von Fraunhofer-Gesellschaft und IBM für angewandtes Quantencomputing in Deutschland und Europa eröffnet neue Möglichkeiten bei der Entwicklung von Quantencomputing-Strategien und Anwendungstechnologien für eine nachhaltige Wertschöpfung.“

„Ich freue mich außerordentlich, dass der IBM Quantum System One, der leistungsstärkste Quantencomputer in Europa, nun in Deutschland zum Einsatz kommt“, sagte Dario Gil, Senior Vice President und Director IBM Research. „Das System ist auf Stabilität, Robustheit und Zuverlässigkeit ausgelegt und kann dank der hybriden Cloud-Architektur Programme in unglaublicher Geschwindigkeit ausführen. Ich bin mir sicher, dass die Zusammenarbeit zwischen Fraunhofer und IBM weitere Forschungsprojekte in ganz Europa zur Folge haben wird – mit dem Ziel, Lösungen für wichtige wirtschaftliche und gesellschaftliche Probleme zu finden.“

Beitrag für ein deutsches Quantentechnologie-Ökosystem

Das Land Baden-Württemberg unterstützt die Initiative von Fraunhofer und IBM maßgeblich und stellt insgesamt bis zu 40 Millionen Euro bis 2024 bereit – den Großteil davon für Verbundprojekte des Fraunhofer-Kompetenzzentrums Quantencomputing in Baden-Württemberg in Kooperation mit Hochschulen, außeruniversitären Forschungseinrichtungen und assoziierten Industriepartnern.

Winfried Kretschmann, Ministerpräsident Baden-Württemberg, ist sicher: „Quantentechnologien sind der Schlüssel zur Zukunft. Wer Quantentechnologien beherrscht, beherrscht die zwei Megatrends unserer Zeit: Digitalisierung und Dekarbonisierung. Und hält damit den Schlüssel in der Hand zu wirtschaftlichem Wohlstand und technologischer Souveränität. Mit dem Quantencomputer in Ehningen schaffen wir einen Beitrag für ein deutsches Quantentechnologie-Ökosystem mit internationaler Strahlkraft. Wir verzahnen wissenschaftliche Exzellenz und wirtschaftliche Schlagkraft. Das Potenzial und die Möglichkeiten sind enorm: Da geht es darum, wie man kritische Infrastrukturen stabilisiert. Da geht es um clevere Algorithmen für die Fertigung und Logistik. Da geht es um die Modellierung von Batterie und Brennstoffzelle. Dieses Projekt ist ein Meilenstein auf dem Weg ins Quanten-Land Baden-Württemberg.“

„Unser Ziel ist es, dass Baden-Württemberg als führende Industrie- und Innovationsregion in Europa bei der Wertschöpfung mit Quantencomputing ganz vorne mitspielt“, ergänzte Nicole Hoffmeister-Kraut, Wirtschaftsministerin des Landes. „Unternehmen und Start-ups aus Baden-Württemberg sollen als Anbieter und Anwender am künftigen Weltmarkt für quantentechnologische Produkte, Systeme und Lösungen teilhaben. Dass wir nun Sitz des ersten und leistungsfähigsten europäischen Quantencomputers sind, ist ein enormer Erfolg und ein wichtiges Signal ins Land. Hier kann sich unser leistungsstarkes Netzwerk aus exzellenten Forschungseinrichtungen im Verbund mit international führender Hightech-Industrie und Start-ups hervorragend einbringen. Zugleich bietet das Zentrum die große Chance, Fachkräfte in dieser zukunftsweisenden Technologie zu qualifizieren, um erfolgreich Innovationen entwickeln zu können.“

Zugang über das Fraunhofer-Kompetenznetzwerk Quantencomputing

Zentrale Anlaufstelle für die Nutzung des Quantencomputers ist das Fraunhofer-Kompetenznetzwerk Quantencomputing. Voraussetzung für den Zugang zu dem Rechner ist ein Nutzungsvertrag mit Fraunhofer, das Preismodell basiert auf einem monatlichen Ticket. Damit sind auch kurzzeitige, flexible Zugänge zur Erprobung und Einschätzung der Technologie möglich. Fraunhofer 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 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 essenziell, 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!

Wie sieht es aus, das IBM Quantum System One? Der Fraunhofer-Neuzugang ist spiegelschwarz und glänzend (siehe Foto oben). 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, das 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 ständig 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 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. So weit die Medienmitteilung von Fraunhofer am 15.06.2021.

IBM: Bauanleitung für den Quantum System One – aus der Ferne

Inneres eines Quantencomputers – Foto © IBM

Bei IBM liest sich das so: „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.

Wegen 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.“

Rede von Bundeskanzlerin Merkel zur Inbetriebnahme des Quantencomputers am 15.06.2021 (Ausschnitte aus der Videobotschaft)

„Ohne Zweifel ist der Quantencomputer ein glänzendes Aushängeschild des Hightechstandortes Deutschland. Und dass dieses Wunderwerk der Technologie in Baden-Württemberg beheimatet ist, verwundert eigentlich kaum. Das Bundesland gehört schon seit Jahren zu den innovationsstärksten Regionen Europas, wobei hier der Landkreis Böblingen besonders heraussticht. Bereits seit Beginn der Industrialisierung – seit den ersten Dampfmaschinen und Eisenbahnen – scheint sich das Rad des Fortschritts im Südwesten unseres Landes oft ein wenig schneller zu drehen als anderswo. Jedenfalls finden sich hier schon seit Langem hervorragende Bedingungen für Wissenschaft und Wirtschaft.

Die Idee, die Effekte der Quantenphysik für Rechner zu nutzen, ist nicht neu. Viele Jahre wurden Möglichkeiten erforscht, diese Idee dann auch Realität werden zu lassen. Quantencomputer können spezifische Berechnungen in nur wenigen Augenblicken durchführen. Herkömmliche Computer würden dafür hunderte, wenn nicht tausende Jahre Rechenzeit brauchen. Mit dem Quantencomputer verbindet sich auch die Hoffnung, Laborversuche simulieren zu können, die ansonsten sehr, sehr aufwendig wären.

Wir stehen aber erst am Anfang dieser neuen Technologie. Doch sie lässt gewaltige disruptive Innovationspotenziale erwarten. Denken wir zum Beispiel daran, dass es gilt, Kommunikation sicher zu gestalten, medizintechnische Durchbrüche zu schaffen oder Logistik und Materialforschung zu optimieren. Als ultraschnelle Parallelrechner können Quantencomputer in verschiedensten Bereichen Leistungsschübe für mehr Wertschöpfung schaffen, insbesondere in Verbindung mit Künstlicher Intelligenz. Das heißt nichts anderes, als dass Quantencomputing in unserem Bemühen um technologische und digitale Souveränität eine Schlüsselrolle spielen kann – und damit auch für Wachstum und Beschäftigung.

Deutschland gehört in der Forschung zu Quantentechnologien zur Weltspitze. Dort wollen wir auch bleiben. Wir wollen uns die Forschungsergebnisse auch möglichst für wirtschaftliche Anwendungen zunutze machen. Daher werden wir die Investitionen in Quantentechnologien bis 2025 um zusätzliche zwei Milliarden Euro steigern.

Die Bundesregierung hat dafür ein integrierendes Konzept zur Förderung auf den Weg gebracht – integrierend auch deshalb, weil wir zwei Ansätze verfolgen, die beide eng verknüpft sind und sich gegenseitig ergänzen sollen. Zum einen sollen unter einem gemeinsamen Dach bis zu fünf Hubs aufgebaut werden, die jeweils eine Technologieplattform beinhalten und durch Kompetenznetzwerke verbunden sind. Zum anderen ist der Aufbau von jeweils einem Industriekonsortium für Hardware sowie einem für Software und Anwendungen vorgesehen.

Ziel dieses Konsortialansatzes ist es, mit Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft, darunter auch Start-ups, quantentechnologische Kompetenzen zu bündeln. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt wird hierbei die Koordinierung übernehmen. Der Fokus soll konsequent auf marktnahen Entwicklungen und Anwendungen liegen. Es geht uns also darum, ein umfassendes Innovationsökosystem aufzubauen, das sich gleichsam zu einer neuen industriellen Basis entwickelt.

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