Überblick über die Quanten-IKT-Landschaft ÖFIT-Whitepaper stellt Anwendungen und Technologien der Quanten-IKT vor

Von Ulrike Ostler

Fleißarbeit: Das Kompetenz-Zentrum Öffentliche Informationstechnologie (ÖFIT) am Fraunhofer-Institut Fokus hat ein Whitepaper arbeitet, das vergleichsweise verständlich Faktoren und Fallstricke bei der Gestaltung von Quanten-IKT sowie Handlungsoptionen aufzeigt. Es fasst im Wesentlichen die Unterschiede von Technologien, Restriktionen und Chancen von Quantencomputing und -kommunikation zusammen.

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Quantencomputing und Quantenkommunikation nähern sich der Praxistauglichkeit an; das Papier Kompetenzzentrums Öffentliche IT (ÖFIT) vom Fraunhofer Fokus glänzt mit verständlichen Erklärungen und Zusammenfassungen des Status Quo.
Quantencomputing und Quantenkommunikation nähern sich der Praxistauglichkeit an; das Papier Kompetenzzentrums Öffentliche IT (ÖFIT) vom Fraunhofer Fokus glänzt mit verständlichen Erklärungen und Zusammenfassungen des Status Quo.
(Bild: gemeinfrei: Garik Barseghyan auf Pixabay / Pixabay )

Definitiv werden sich Bereiche der Informationsverarbeitung und -übermittlung grundlegend verändern. Autor des Whitepaper Jan Dennis Gumz sagt: „Während die breite Praxistauglichkeit von Quantencomputing und -kommunikation noch aussteht, hat das Ringen um zukünftige Marktanteile bereits begonnen“, stellt der Mathematiker fest und setzt hinzu: „Tatsächlich ist Quanten-IKT bereits heute relevant.“

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Das Qubit – Herzstück der Quanten-IKT

Auszug aus dem ÖFIT-Whitepaper: Die kleinste Informationseinheit bei der Quanten-IKT ist das Quantenbit, kurz Qubit. Bei einer Messung eines Qubits können zwei verschiedene Werte festgestellt werden, die dann 0 beziehungsweise 1 repräsentieren. Vor einer Messung können sich 0 und 1 aber auch überlagern, was bei Bits, der kleinsten Informationseinheit der klassischen IKT, nicht möglich ist, da diese immer eindeutig 0 oder 1 sind.

Abbildung 5: Anzahl der gleichzeitig repräsentierten Daten (Binärwerte)
Abbildung 5: Anzahl der gleichzeitig repräsentierten Daten (Binärwerte)
( Bild: Fraunhofer Fokus )

Das heißt: Qubits können sich vor der Messung gleichzeitig in einem Zustand befinden, in dem sie sowohl 0 als auch 1 repräsentieren. In der Quanten-IKT wird versucht, sich diese Überlagerungsmöglichkeit zunutze zu machen. Durch Überlagerungen kann ein Register von Qubits zum Beispiel wesentlich mehr Information repräsentieren als ein Bitregister vergleichbarer Größe(siehe: Abbildung).

Ob nun mit Qubits gerechnet wird oder diese zum Zweck der Informationsübermittlung versendet werden: Den Abschluss eines solchen Vorgangs in der Quanten-IKT stellt die Messung von Qubits dar. Dabei kollabieren die Überlagerungszustände von Qubits und es ergibt sich eine gewöhnliche Folge aus Nullen und Einsen.

Abbildung 6: Charakteristische Eigenschaften von klassischer IKT und Quanten-IKT im Vergleich
Abbildung 6: Charakteristische Eigenschaften von klassischer IKT und Quanten-IKT im Vergleich
( Bild: Fraunhofer Fokus )

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Qubits zu konstruieren. Zum Beispiel können Photonen, Ionen oder supraleitende Schaltkreise als physikalische Grundlage solcher Konstruktionen dienen. Die Möglichkeiten unterscheiden sich zum Beispiel bezüglich der Anfälligkeit gegenüber Störungen, der Skalierbarkeit von wenigen auf viele Qubits und darin, ob und wie Qubitzustände fehlerfrei und schnell geändert werden können.

Er gibt ein Beispiel: „Viele derzeit alltäglich genutzte kryptografische Verfahren wie eMail-Verschlüsselung und digitale Signaturen sind möglicherweise nicht dauerhaft sicher; denn Quantencomputer besitzen das Potenzial, diese in sehr kurzer Zeit zu überwinden. Gleichzeitig bietet Quanten-IKT jedoch auch die Möglichkeit, Abhörsicherheit zu garantieren und so neue Sicherheitsstandards zu ermöglichen.“ Zudem sollen Quantencomputer Probleme lösen, bei denen klassische Computer scheitern, etwa die individuelle Gestaltung von Medikamenten. Außerdem könnten sich Quantencomputer als Treiber für wesentlich leistungsstärkere Künstliche Intelligenz erweisen.

Das ÖFIT-Papier „Quanten-IKT - Quantencomputing und Quantenkommunikation“, das es zum kostenfreien Download gibt, hält zudem einige Thesen bereit:

  • Die Karten werden jetzt gemischt: Die Wertschöpfung wird bereits vorbereitet und hat vereinzelt bereits begonnen, zum Beispiel durch das Vorbereiten von Anwendungen, etwa durch die Identifikation von Einsatzbereichen und die Entwicklung funktionstüchtiger Algorithmen. Zugleich werden aber noch wesentliche Grundlagen erarbeitet: geeignete Hardware und spezielle Programmiersprachen.
  • Es gibt einen Mangel an Fachkräften; denn Quanten-IKT unterscheidet sich grundsätzlich von klassischer IKT. Daher erfordert Quanten-IKT auch andere Fähigkeiten und Kenntnisse. Da Quanten-IKT eine neue Technologie ist, existieren bisher kaum Ausbildungen, die die erforderlichen Kenntnisse aus den unterschiedlichen Disziplinen bündeln. Die vorhandenen Fachkräfte haben sich die erforderlichen Kenntnisse der ihnen ursprünglich fremden Disziplinen oftmals selbstständig erarbeitet und sind auf dem Arbeitsmarkt entsprechend hart umkämpft.
    Mit dem Wachstum der Branche wird die Nachfrage nach Spezialist:innen weiter steigen. Auch Entscheider:innen in Wirtschaft und Verwaltung brauchen gewisse Grundkenntnisse, um Bereiche identifizieren zu können, in denen sich durch Quanten-IKT Chancen oder Risiken ergeben, und um frühzeitig geeignete Maßnahmen zu ergreifen.
  • Weder Quantencomputing noch -Kommunikation wird die klassische IKT ersetzen, sondern ergänzen.
  • Quantensprünge sind keine reine Hardwarefrage.
  • Quanten revolutionieren die Verschlüsselung: Es existieren Algorithmen für Quantencomputer, die versprechen, etablierte und weit verbreitete kryptografische Verfahren in kurzer Zeit zu überwinden. Hinderungsgrund ist lediglich die Hardware, die noch nicht die erforderliche Leistungsfähigkeit erreicht hat.
  • Mögliche Anwendungen sind Simulationen, Optimierung von Prozessen, abhörsichere Kommunikation und die Anwendungen im Bereich von Künstlicher Intelligenz.
  • Angesichts des starken Wettbewerbs sei sicher: „Als Einzelkämpfer werden es europäische Staaten und Unternehmen schwer haben, sich durchzusetzen“, so Gumz.
  • Quantencomputing ist eine Wette: „Expert:innen gehen davon aus, dass Quantencomputing innerhalb von zehn bis zwanzig Jahren seine Praxistauglichkeit in der Breite erreichen wird. Vorausgesetzt wird dabei ein starkes Wachstum in der Leistungsfähigkeit der Hardware, zum Beispiel gemessen in Anzahl der Qubits eines Quantencomputers.
    Der Weg dorthin ist jedoch keineswegs gesichert. So ist bislang beispielsweise noch nicht erkennbar, welche der derzeit diskutierten Konstruktionsweisen für Quantencomputer sich letztlich durchsetzen werden. [...] Die aktuelle Wette auf Quantencomputing beinhaltet daher zum gegenwärtigen Zeitpunkt zwar erhebliche Chancen, aber auch ein nicht zu verschweigendes Risiko.“

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Mit Qubits kommunizieren

Auszug aus dem ÖFIT-Whitepaper: Es existieren zwei Möglichkeiten zur Quantenkommunikation. Zum einen das Versenden von Qubits als Informationsträger zwischen Kommunikationspartnern. Aufgrund quantenphysikalischer Prinzipien kann der Zustand des Qubits auf dem Weg vom Sender zum Empfänger nicht von Dritten abgehört werden, ohne dass das Qubit selber verändert wird. Wenn nun eine Folge von Qubits versendet wird, können die Kommunikationspartner einen Abhörversuch durch statistische Berechnungen nachweisen. Diese Tatsache wird zum Beispiel bei so genannten Prepare-and-Measure-Protokollen genutzt.

Die andere Möglichkeit ist die so genannte Quantenteleportation. Dabei verfügen die Kommunikationspartner über jeweils ein Teil eines verschränkten15 Paars von Qubits. Weil Änderungen am Zustand eines Qubits auch über große Distanzen mit sofortiger Wirkung Änderungen am anderen Qubit nach sich ziehen, können Kommunikationspartner so abhörsicher Information austauschen. Der Zustand des übertragenen Qubits bleibt dabei für alle außer dem Empfänger prinzipiell unbekannt, wodurch Information sicher übertragen werden kann.

Der bei der Quantenkommunikation vorwiegend eingesetzte Qubittyp sind Photonen. Diese eignen sich insbesondere deshalb, weil sie sich mit der maximal möglichen Geschwindigkeit, also der Lichtgeschwindigkeit, bewegen. Aus technischer Sicht existieren zwei wesentliche Übertragungswege für Photonen-Qubits: Zum einen sind das herkömmliche Glasfaserkabel und zum anderen können Photonen auf direktem Wege durch den Raum übertragen werden, also etwa von einem Satelliten zu einer Empfängerstation auf der Erdoberfläche. Eine solche Verbindung dient dann als sogenannter Quantenkanal

Die Stärke des Whitepapers liegt vor allem in den Erläuterungen (siehe: Kästen) und in der Erstellung einer Zusammenschau (siehe: Abbildung 1). So legt das Papier offen, welche wichtigen Initiativen und Netzwerke es derzeit gibt,

  • zum Beispiel die vom BMBF geförderte Initiative QuNET, bei der es unter Beteiligung der Fraunhofer-Institute IOF und HHI, der DLR und des Max-Planck-Institutes für die Physik des Lichts um die Weiterentwicklung von Quantenkommunikation geht.
  • Der Branchenverband Bitkom organisiert den „Quantum Summit“. Partner sind hier zum Beispiel IBM, die Fraunhofer-Gesellschaft, Atos und Fujitsu. Hier geht es um Wissensaustausch und Vernetzung zu Quantentechnologien allgemein.
  • Das Konsortium OpenQKD will mit Tests, Demonstratoren und Standards die Grundlage für ein gesamteuropäisches Netzwerk zum Quanten-Schlüsselaustausch legen. Mitglieder sind etwa die Deutsche Telekom, BT, das Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Toshiba und die Universität Genf.
  • Das Quantum Business Network (kurz QBN) beschäftigt sich in der Breite mit Quantentechnologien. Zu den Mitgliedern zählen drei Fraunhofer-Institute (AISEC, IAF, IPMS), europäische Start-ups wie Cambridge Quantum Computing (Fokus auf Software für Quantencomputer), ParityQC (Fokus auf Architektur für Quantenrechner), Quantum Optics Jena (Fokus auf Photonenquellen und optische Systeme) und kiutra (Fokus auf Kühlsysteme als `Enabling Technology´).
  • Im Rahmen der Initiative zu Quantentechnologien der Fraunhofer-Gesellschaft wurde 2021 zusammen mit IBM ein der Quantencomputer „Q System One“ in Betrieb genommen. Die Fraunhofer-Gesellschaft koordiniert auf dieser technologischen Basis ein nationales Kompetenznetzwerk für Quantencomputing mit den Zielen Weiterentwicklung und Transfer anwendungsorientierter Quantencomputerstrategien – und zwar unter Wahrung der Datenhoheit und unter Einhaltung europäischer Vorschriften zum Umgang mit Daten.
  • Des Weiteren wird im Rahmen der von der EU geförderten Initiative „OpenSuperQ“, ein europäischer Quantencomputer auf Basis supraleitender Qubits entwickelt. Ein Exemplar des Quantencomputers soll am Forschungszentrum Jülich betrieben werden, ein weiteres später von der ETH Zürich.

Doch werden weltweit werden umfangreiche finanzielle Ressourcen bereitgestellt und Initiativen gegründet, um Quantentechnologien voranzutreiben und skalierbare Quantencomputer zu entwickeln. In der Studie heißt es: „Es hat sich ein regelrechter Quanten-Hype entwickelt.“

Zugleich wiesen die Autoren Jan Dennis Gumz, Simon Sebastian Hunt, Michael Stemmer, Sebastian Bock, Nikolay Tcholtchev, Denny Mattern, Professor Adrian Paschke und Professor Marian Margraf darauf hin, dass Europa und Deutschland, trotz guter Voraussetzungen der Verlust des Anschlusses an die USA du China drohen (siehe dazu: Bildergalerie). Um „tatsächlich wettbewerbsfähig“ sein zu können, müsse der Schritt zur Wertschöpfung gelingen.

Bildergalerie

Wer nun aber erwartet, die Studie weise auf, wie sich Unternehmen in welcher Form wappnen können, ist schief gewickelt. Die „Handlungsanweisungen“, erstrecken sich auf Allgemeingültiges:

Post-Quanten-Kryptografie jetzt weiterentwickeln und frühestmöglich umsteigen, denn erstes machen Quantencomputer Fortschritte und „kurzfristige Durchbrüche“ seien denkbar, zweitens sei es möglich, den aktuellen Datenverkehr um ihn später bei, Einsatz von Quantencomutern zu entschlüsseln und drittens lassen sich Post-Quantum Verfahren, die sowohl für klassische als auch quantenmechanische Rechner schwer zu überwinden sind mit klassischen Computern, also jetzt, umsetzen.

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Ökosystem aufbauen: Es gelte die Stärken Deutschlands und Europas in der Grundlagenforschung mit wirtschaftlichen Aktivitäten im Bereich Quanten-IKT zu verbinden. „Insbesondere KMUs, die zwar das Domänenwissen, aber keine Forschungs- und Bildungsmittel für solche innovativen, aber auch risikobehafteten Technologien besitzen, können von einer regen Zusammenarbeit mit den Expert:innen aus Forschungseinrichtungen und dem Zugang zu Plattformen für Quanten-IKT-Wissen profitieren.“

Wissen schaffen und teilen: „Um dem wachsenden Bedarf nach Kompetenzen zu begegnen, müssen Bildungsmöglichkeiten geschaffen werden.“

Standardisierung vorantreiben: „Generell sind Standards für Schnittstellen etc. erforderlich für die Wettbewerbsfähigkeit und Souveränität, um zum Beispiel Vendor-Lock-in-Effekte zu verhindern“, heißt es in dem Whitepaper. Außerdem brauche es Schlüsselindikatoren für ein einheitliches Benchmarking zur Evaluation und die Qualitätssicherung.

Marktlücken suchen und nutzen: So seien noch viele Ansätze nur in einem geringe Ausmaß verfolgt worden, etwa die Konstruktion von Qubits auf Basis von Kunstdiamanten.

Anwendungsmöglichkeiten im öffentlichen Sektor identifizieren und erschließen.

Strategisch handeln: Durchhaltevermögen und Flexibilität in der deutschen und europäischen Wirtschaft, Forschung und Politik seien gefragt, „natürlich verbunden mit entsprechenden Förderungen“. Darüber hinaus empfiehlt das Whitepaper kein frühzeitiges Festlegen auf einzelne Konstruktionsweisen, sondern ein breites Aufstellen in Europa. Auch erfolgt der Hinweis, dass es sich nicht nur um Hardware-Entwicklung handle, sondern auch Algorithmen und Software weiterentwickelt werden müssen. „Zudem müssen Potenziale der Quanten-IKT weiter ausgelotet, das heißt: Anwendungsfälle identifiziert werden…“

Monitoring und strategische Vorausschau etablieren: Um den Stand der Entwicklung einschätzen zu können, brauche es Indikatoren und kontinuierliche Überwachung. „Dies umfasst Themen von Steuerungstechnik und Qubitkonstruktionsweisen über Fehlerkorrektur bis hin zu Software und Plattformen.“

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Annealer und Gatter

Es gibt zwei verbreitete Typen von Quantenrechnern. Ein Typ ist der so genannte Quanten-Annealer.

Dabei werden die Qubits in einen bekannten Startzustand versetzt, wobei sie unter Einfluss eines externen Magnetfelds stehen. Ein solches Magnetfeld kann so gestaltet werden, dass es den Parametern eines gegebenen Problems entspricht. Ein natürlicher, quantenphysikalischer Optimierungsprozess sorgt dafür, dass die Qubits nach einer gewissen Zeit einen Zustand einnehmen, der bei einer Messung mit überdurchschnittlich hoher Wahrscheinlichkeit der Lösung des Problems entspricht. Für diesen Typ existieren mittlerweile Rechner mit einigen tausend Qubits (siehe: „Vorglühen für Optimierungsaufgaben; Was ist Quanten-Annealing?“).

Der andere Typ ist der gatterbasierte Quantenrechner. Auch hier werden die Qubits in einen bekannten Startzustand versetzt.

Die Veränderung der Zustände wird hier aber keinem natürlichen Prozess überlassen. Der Prozess ähnelt eher dem Prozess beim klassischen Rechner. Beim klassischen Rechner werden Gatter (kleine logische Operationen) auf Bitregister in einer durch einen Algorithmus festgelegten Reihenfolge angewendet.

Anstelle von Gattern, Bits und Algorithmen sind es beim Quantenrechner nun aber die so genannten Quantengatter, Qubits und Quantenalgorithmen. Quantenalgorithmen unterscheiden sich grundlegend von klassischen Algorithmen, weil sie zur quantenphysikalischen Natur der Rechner passen müssen und die Vorteile der Quantenphänomene nutzen sollten.

Die Qubit-Anzahl ist bei gatterbasierten Quantenrechnern noch deutlich niedriger als bei den Quanten-Annealern, allerdings sind sie aufgrund des algorithmischen Ablaufs programmierbarer und dadurch vielseitiger einsetzbar (siehe: „Probleme, Lösungen, Mathe und Materialien von Quantencomputern; Quanten-Gate-Computer versus Annealer“.

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