Herausforderungen für das Quanten-Computing

Kristel Michielsen ist Leiterin der Gruppe Quantum Information Processing am Jülich Supercomputing Centre des deutschen For­schungszen­trums Jülich. Im Interview erklärt sie, welche Rolle Forscher aus Jülich beim Quantenrechner von Google spielten und welche Herausforderungen beim Thema Quanten-Computing noch zu meistern sind.

Computerworld: Frau Michielsen, Sie haben mit Ihrem Team am Forschungszentrum Jülich die QTRL-Skala (Quantum Technology Readiness Level) entwickelt, eine Metrik zur Beschreibung des Reifegrads der Quantencomputertechnologie. Welche Kriterien liegen dieser Bewertung zugrunde?

Kristel Michielsen: Beim QTRL haben wir uns am Technologie-Reifegrad der NASA orientiert, den diese für die Bewertung von Raumfahrttechnologien auf einer Skala von 1 bis 9 ins Leben gerufen hat. Eine Quantencomputertechnologie befindet sich bei QTRL1, wenn der theoretische Rahmen für das Quanten-Computing formuliert ist.

Michielsen: Auf Stufe 5. Es gibt Komponenten, die in einen kleinen Quantenprozessor ohne Fehlerkorrektur integriert sind. Der nächste Schritt wären Komponenten, die in einen kleinen Quantenprozessor mit Fehlerkorrektur integriert sind, sie befinden sich dann auf Stufe QTRL 6.

CW: Stellt der Quantencomputer von Google also wirklich diesen Durchbruch dar?

Michielsen: Was Google erreicht hat, ist auf jeden Fall ein Meilenstein, weil es die Technologie bei den gatterbasierten Systemen in der Form noch nicht gab. Ich würde Googles Quantenrechner mit einem Heissluftballon vergleichen, der aufsteigt und fliegt, wir wissen aber nicht genau, wohin. Der Durchbruch ist, dass der Ballon fliegt. Jetzt müssen wir noch lernen, ihn zu steuern.

CW: Inwieweit war eigentlich das Forschungs­zentrum Jülich an diesem Erfolg von Google beteiligt? Was war Ihre Aufgabe?

Michielsen: Wir haben ein Programm entwickelt, welches das Verhalten eines Quantencomputers simulieren kann. Für die Zusammenarbeit mit Google haben wir unseren Superrechner JUWELS benutzt, um die Leistung und Berechnungen von Quantenschaltungen zu überprüfen. Dabei haben noch andere Forschungszentren und Universitäten Google unterstützt.

Michielsen: Damit die Quantensysteme praxisrelevante Berechnungen starten können, müssen sie grösser werden. Die 53 Qubits des Goo­gle-Rechners reichen noch nicht. Möglicherweise kann bereits ein Chip mit 100 Qubits kleinere praktische Aufgaben lösen, wahrscheinlich müssen die Systeme aber grösser sein und Tausende bis Millionen Qubits umfassen. Das Problem: Rechner mit einer hohen Qubit-Zahl müssen kontrolliert werden, damit sie nicht zu viele Fehler machen. Aktuell ist die Fehlerrate noch viel zu hoch. Die Fehlerkorrektur ist eine grosse Herausforderung für die nächsten Jahre.

Hinzu kommt unter anderem der grosse Aufwand für die physische Umgebung. Quantencomputer benötigen oft absolute Nulltemperatur und müssen vor Strahlung und Vibrationen abgeschirmt werden. Wann all diese Herausforderungen gelöst sind, ist schwer zu sagen.

CW: Der Wettbewerb zwischen Google und IBM, Europa, China und den USA dürfte das Thema Quanten-Computing weiter vorantreiben. Wer hat hier im Moment die Nase vorn?

Michielsen: Im Moment liegen die USA vorne. Um den Rückstand aufzuholen, hat die Europäische Kommission das eine Milliarde Euro schwere Programm „Quantum Technologies Flagship“ gestartet. Darüber hinaus gibt es auch nationale Förderprogramme, über die man Anträge für Quantenforschung stellen kann. Und die Projekte laufen koordinierter ab. Das Forschungszentrum Jülich ist etwa am Bau des europäischen Quantencomputers OpenSuperQ beteiligt, an dem mehrere Universitäten, Forschungszentren und Unternehmen arbeiten.

Grundsätzlich werden wir von der hohen Rechenleistung von Quantencomputern nur profitieren, wenn wir sie im hybriden Modus nutzen und als Beschleuniger von Supercomputern sehen. Wir werden zum Beispiel einen Quantenrechner von D-Wave mit unserem Hochleistungsrechner JUWELS verknüpfen. Damit hoffen wir künftig auch praktische Probleme besser zu
lösen.