Jülich: Jülicher Forscher-Team hält Weltrekord im Simulieren eines Quantencomputers

Jülich: Jülicher Forscher-Team hält Weltrekord im Simulieren eines Quantencomputers

Denkt der Mensch an Quanten, dann kommen ihm vielleicht ziemlich große Füße in den Sinn. Der Volksmund ist Schuld. Quantencomputer hat er womöglich noch als abgedrehten Computer-Kram im Hinterkopf. Was haben große Füße und eine Computer-Philosophie gemeinsam, die viele Wissenschaftler für das Ding der Zukunft halten? Nicht viel, im Gegenteil: Quantencomputer stecken nämlich noch in den Kinderschuhen.

Die Idee von einer anderen Art Computer, die nach einer komplett anderen Gesetzmäßigkeit funktioniert, gibt es schon länger. Aber Prof. Dr. Kristel Michielsen (50) winkt ab, wenn sie die Frage hört, wann Quantencomputer in jedem Haushalt stehen könnten. „Wir können froh sein, wenn es uns irgendwann mal gelingt, dass Quantencomputer in großen Rechenzentren stehen“, sagt die Quantencomputer-Expertin am Forschungszentrum Jülich (FZJ).

Die Entwicklung der Computer, die wir heute kennen, lässt sich zeitlich recht gut umreißen. Das, was ein neuwertiger Privatcomputer heute kann, ist das, was ein Supercomputer vor 20 Jahren an Rechenleistung zu bieten hatte. Ungefähr jedenfalls. „Noch viel weiter weg“, sagt Kristel Michielsen über den Zeitpunkt, an dem ein Quantencomputer das können könnte, was ein heutiger Supercomputer kann. Eine Zeitschiene für Quantencomputer gibt es nicht. Und trotzdem forschen Wissenschaftler und Konzerne wie D-Wave, IBM oder Google weltweit mit großem Aufwand an Quantencomputern. „Es ist wichtig, dass wir heute daran arbeiten. Sie können die grünen Computer der Zukunft werden“, spricht Michielsen von einem Verhältnis zwischen Energieverbrauch und Rechenleistung, das möglicherweise mit heutigen Computern undenkbar ist — egal, wie groß die Fortschritte auch noch sein mögen.

Michielsen gehört zu den weltweit führenden Quantencomputer-Forschern. Um genau zu sein ist sie Teil des Teams von Wissenschaftlern, das aktuell den Weltrekord für simulierte Quantencomputer-Rechenleistung hält. Sie haben einen Quanten-Rechner mit 46 Qubits simuliert. So nennt man die Rechenleistung eines Quantencomputers, analog zum Bit bei einem herkömmlichen System. Simuliert, weil es den Quantencomputer gar nicht als Hardware gibt, den das internationale Team konzipiert hat. Er ist eine Simulation, ein Programm also, das auf den größten Computern der Welt getestet wurde. Auf Juqueen, dem Supercomputer im Forschungszentrum, und auf Sunway TaihuLight in China, dem schnellsten Rechner der Welt überhaupt.

Denkende Computer

Der Sinn der Simulation klingt erstmal fast ernüchternd einfach: „Wir wollen herausfinden, wofür man einen Quantencomputer nutzen kann. Dafür müssen wir wissen, wie er funktioniert“, sagt Michielsen. Klingt nach Grundlagenforschung, ist auch so. Die Forschung nimmt an, dass Computer mit einem nach dem Quanten-Prinzip rechnenden Prozessor auf bestimmten Feldern viel effektiver sind als alles, was heute üblich ist. Michielsen traut einem Quanten-System in der Zukunft beispielsweise zu, viel besser lernen zu können und damit einen großen Schritt auf dem Weg zur künstlichen Intelligenz sein könnten. Von Horrorszenarien, dass denkende Computer irgendwann die Menschheit ablösen könnten, hält die Belgierin nichts. „Das sehe ich nicht, dafür sind wir viel zu kompliziert.“

Das Team um Michielsen simuliert auf den größten Rechnern der Welt, weil es nur ganz wenige Quantensysteme in der Größe von 43 Qubits und mehr gibt. D-Wave hat eins, IBM auch, Google will den Schritt in diesem Jahr schaffen. „Wenn wir simulieren, dann müssen wir uns nicht mit Aspekten wie der Kühlung beschäftigen“, sagt die Physikerin. IBM beispielsweise kühlt seinen Quanten-Prozessor auf über minus 270 Grad herunter. Auch das ist eine Frage, an der sich Forscher weltweit den Kopf zerbrechen: Welche Materialien sind die besten, um einen Quanten-Prozessor zu ermöglichen? Welche brauchen es nicht ganz so kalt?

Um Quanten-Prozessoren simulieren zu können, arbeitet Michielsen seit vielen Jahren an Programmen. Der neue Simulations-Weltrekord wurde möglich, weil es der internationalen Forschergruppe aus Jülich, dem niederländischen Groningen und Wuhan (China) gelungen ist, so zu programmieren, dass die Simulation weniger Speicherplatz benötigt als bisher. Ein Qubit benötigte bisher 16 Bytes, jetzt sind es zwei.

Schnellster Rechner der Welt

„Die Darstellung wird damit zwar etwas weniger präzise. Aber das können wir vernachlässigen“, sagt Michielsen. So war es möglich, in Jülich auf Juqueen 46 statt bisher 43 Qubits darzustellen, auf Sunway, der bisher 45 Qubits konnte, sind damit sogar 48 möglich. Mit jedem simulierten Qubit mehr verdoppelt sich der benötigte Speicherplatz. „Eine solche Simulation beansprucht ziemlich viel Kapazität und Zeit eines Supercomputers“, deutet die Physikerin an, dass Rechenzeit auf den größten Maschinen der Welt selten ist. Beim Rechnen auf Juqueen war sie vor Ort, Sunway TaihuLight hat sie aber noch nicht persönlich kennengelernt. Die Jülicher haben einen Zugang zum schnellsten Rechner der Welt, ein chinesischer Wissenschaftler im Jülicher Team initiiert die Simulation vom Forschungszentrum aus.

Was das Simulieren angeht, ist das Ende der Fahnenstange bald erreicht, auf Sunway TaihuLight könnten laut Michielsen bis zu 48, vielleicht 49 Qubits möglich sein. „Es geht überhaupt nicht um Weltrekorde, es geht darum, zu verstehen, wie Quantencomputer funktionieren und für welche Anwendungen sie genutzt werden können“, erklärt die Physikerin.

Und deswegen gibt es ein anderes großes Ziel am Forschungszentrum: ein eigener Quantencomputer, sowohl selbst erstellt als auch bei D-Wave gekauft und bei IBM und Google gegen Bezahlung genuzt. Das wäre ein großer Fortschritt für das FZJ, das den Anspruch hat, bei den Computern der Zukunft ganz vorne dabei zu sein. Innerhalb der nächsten ein, zwei Jahre könnte dieser Quantensprung gelingen, vermutet Prof. Dr. Kristel Michielsen. Womit wir wieder beim Volksmund wären, der mit dem Quantensprung aus der physikalisch kleinen, aber gleichwohl ungemein bedeutsamen Änderung des Energieniveaus eines Teilchens eine in jedem Bereich des Lebens richtig große Sache gemacht hat.

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