Zukunft der Quantentechnologie: Studierende am KIT in Karlsruhe könnten die neuen Quanteningenieure der Zukunft werden

By | 6 minute read | July 6, 2022

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Vor kurzem trafen Professor Dr.-Ing. Holger Hanselka, Präsident des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und Gregor Pillen, Vorsitzender der Geschäftsführung IBM Deutschland, zusammen, um über den aktuellen Status sowie die Zukunft der IBM Quantentechnologie und über die Möglichkeiten einer Zusammenarbeit in der Forschung und in der Lehre zu sprechen. Neben der technischen Weiterentwicklung der Quantentechnologie muss schon heute bedacht werden, dass ein Quantencomputer nicht wie herkömmliche Großrechner bedient werden kann und dazu ein aktueller Wissensstand aufgebaut werden muss. IBM hat sich daher seit Beginn der Entwicklungen im Quantenbereich darauf fokussiert, gerade die softwareseitigen Entwicklungsmöglichkeiten von Anwendungen frei zugänglich (Open Source) zu gestalten, um den Wissenstransfer, insbesondere auch die Lehre zu fördern.

Herr Pillen, es ist nicht das erste Mal, dass IBM mit dem KIT zusammenarbeitet, was sind die Hintergründe Ihrer Kooperation?

Gregor Pillen: Die Zusammenarbeit zwischen IBM und dem KIT begann schon 2008 durch die Gründung des gemeinsamen Instituts für Dienstleistungsforschung. Ziel war damals für die Kooperationspartner, mit der Gründung des „Karlsruhe Service Research Institute“ (KSRI) die wachsende Nachfrage nach speziell für den Dienstleistungssektor ausgebildeten Akademiker_innen zu befriedigen. Seither arbeiten Forscher_innen von IBM vor Ort eng mit Wissenschaftler_innen des Karlsruher Instituts für Technologie zusammen.

Der Antrieb für die gemeinsamen Initiative war von Beginn an die wachsende Bedeutung des Dienstleistungssektors: Schon heute werden ein Großteil der weltweiten Wertschöpfung und mehr als 70 Prozent des deutschen Bruttoinlandsproduktes mit Dienstleistungen erwirtschaftet. Dennoch gibt es in Deutschland bislang kaum speziell auf „Services“ ausgerichtete Forschungsvorhaben und interdisziplinäre Bildungsangebote.

Daher wollen IBM und KIT die besten Köpfe aus der ganzen Welt zusammenbringen, um neue Maßstäbe in Lehre und Nachwuchsförderung zu setzen und ein führendes europäisches Zentrum für Forschung zu Quantentechnologien zu bilden.

Bis zum Jahr 2025 planen wir einen Quantenprozessor mit über 4000 Qubits.

Gregor Pillen, IBM

Wie ist der heutige Stand der IBM Quantentechnologie und wo geht die Reise hin?

Gregor Pillen: Unsere Entwicklungen im Bereich Quantentechnologie gehen stetig voran, so haben wir nun mehr als 20 Quantencomputer weltweit in Betrieb genommen. Vor zwei Jahren wurde der erste europäische Quantenrechner hier bei uns in Ehningen, ein weiterer kurz danach in Japan installiert. Die nächsten Installationen sind für Korea, Kanada und die USA geplant. Alleine das zeigt schon die rasante Entwicklung und den Bedarf an Quantentechnologien.

Ende des letzten Jahres haben wir dann den neuen „Eagle“-Chip mit 127 Qubits vorgestellt und damit das erste System, das sich nicht mehr mit klassischer Computertechnik simulieren lässt, selbst wenn man die schnellsten Supercomputer der Welt einsetzen würde. Mit seiner Rechenleistung von 127 Qubits ist es Eagle möglich, Unvorstellbares zu leisten. Diese Anzahl an Qubits können mehr Zustände darstellen, als es Atome in allen menschlichen Lebewesen auf der Welt zusammengerechnet gibt. Das ist aber erst der Anfang: bereits Ende des Jahres wollen wir den nächsten Quantenprozessor „Osprey“ mit 433 Qubits herausbringen und die Entwicklung wird voraussichtlich so schnell weitergehen: Bis zum Jahr 2025 planen wir einen Quantenprozessor mit über 4000 Qubits.

Daneben fokussieren wir uns stark darauf, die Entwicklungen im Bereich Quantentechnologie in der IBM-Cloud anzubieten, da man sie so einer wesentlich breiteren Zielgruppe zur Verfügung stellen kann. Immerhin verfügen die wenigsten Unternehmen über die Möglichkeit, einen eigenen Quantencomputer zu betreiben.

In der IBM-Cloud bieten wir Zugang zu einigen der fortschrittlichsten Quantencomputern auf dem Markt, um Entwicklern zu ermöglichen, mit Quantenalgorithmen zu experimentieren und Qiskit zu nutzen. Mit Tools wie dem IBM Quantum Composer können Cloud-Nutzer auch eigene Schaltkreise ganz einfach per Drag-und-Drop bauen.

Quantentechnologie ist ohne Zweifel das Revolutionärste, was in den letzten Jahrzehnten von der Menschheit entwickelt wurde.

Holger Hanselka, Karlsruher Institut für Technologie

Herr Hanselka, was fasziniert Sie am Quantencomputing?

Holger Hanselka: Quantentechnologie ist ohne Zweifel das Revolutionärste, was in den letzten Jahrzehnten von der Menschheit entwickelt wurde. Zu meiner Studienzeit war das alles noch reine Theorie. Doch heute stehe ich neben einem Prozessor, der mit Quantenbits arbeitet. Wir kennen ja alle die digitalen Bits, die entweder Null sind oder Eins. Quantenbits hingegen haben alle möglichen Zustände mehr oder weniger gleichzeitig. Deshalb können sie aus einer enormen Vielzahl von Möglichkeiten blitzschnell die Lösung finden. Sie rechnen also nicht wie bisher, Quantenprozessoren finden die Lösung einfach. Das finde ich absolut faszinierend. Der Aufwand dafür ist noch gewaltig, denn bisher müssen wir Quantenbits bis auf den absoluten Nullpunkt abkühlen, damit sie nicht durch thermische Störung zerfallen. Das macht Quantenprozessoren noch sehr teuer. Aber in Zukunft wird sich hier eine völlig neue Welt auftun.

Die Innovations-Zyklen liegen mittlerweile nicht mehr bei zehn, sondern nur noch bei zwei Jahren und mit Quantencomputern dann sogar nur noch bei einem Jahr. Quantentechnologie wird bald einen großen Einfluss auf unsere Zukunft haben, sie hat das Potential, die Menschheit und wie wir miteinander leben und arbeiten zu revolutionieren.

Die Möglichkeit für unsere Studierenden, an der Entwicklung einer technischen Revolution teilhaben zu können, ist ein großer Mehrwert für unser Lehrangebot

Holger Hanselka, Karlsruher Institut für Technologie

Mit Quantentechnologie sind zum Beispiel in der Materialforschung oder im medizinischen Sektor Berechnungen möglich, die Forschungs- und Entwicklungszeiten enorm abkürzen. So können wir bald Fragestellungen in Industrie, Wirtschaft und Entwicklung deutlich schneller beantworten, als wir uns das heute vorstellen können.

Herr Hanselka, wo sehen Sie die Vorteile der Zusammenarbeit mit IBM dem KIT? Warum IBM?

Holger Hanselka: Wir am KIT haben den Anspruch, die besten Ingenieurinnen und Ingenieure in den neuesten Technologien auszubilden. Da das KIT und IBM seit 2008 in enger Zusammenarbeit stehen und Quantenphysik wichtiger Bestandteil einiger Studiengänge bei uns ist, lag es natürlich nahe, auch die praxisbezogene Arbeit mit Quantencomputern sowie die Forschung in diesem Bereich zusammen mit IBM in der mit IBM geschaffenen Professur zu integrieren.

IBM wiederum verfügt über die neusten Technologien am Markt und hervorragend ausgebildete Mitarbeitende. Zusätzlich über jahrzehntelange Erfahrung in der Forschung und Entwicklung von neuesten Technologien, was unseren Studierenden direkte Einblicke in das Arbeitsleben eines Ingenieurs oder einer Ingenieurin bieten kann. Die Möglichkeit für unsere Studierenden, an der Entwicklung einer technischen Revolution teilhaben zu können, ist ein großer Mehrwert für unser Lehrangebot und bildet eine hervorragende Basis für den beruflichen Einstieg nach Abschluss des Studiums.

Nicht zuletzt ist natürlich auch die lokale Nähe zu IBM ein Vorteil für uns, immerhin befindet sich IBMs großes Forschungszentrum in Ehningen, wo auch Europas erster Quantencomputer steht. Da das nur eine Stunde von uns entfernt ist, vereinfacht das den persönlichen Austausch zwischen IBM und uns enorm.

Was werden Sie Ihren Studierenden dabei anbieten?

Holger Hanselka: Der erste Teil fokussiert sich auf die Bereiche Anwendungen und Softwarearchitektur in Bezug auf Quantencomputer. Das umfasst vor allem die Verifikation von Quantenalgorithmen sowie die Anbindung an Quantencomputer über die Cloud. Auf diese Weise können deutlich mehr Unternehmen mit einem Quantencomputer arbeiten. Zusätzlich spielen reale Anwendungsfälle eine große Rolle, hierbei vor allem KI-Methoden für Materialwissenschaften, quantenmechanische Eigenschaften von Materialien und Molekülen sowie die Quantenkryptographie und die Auswirkungen der Quantentechnologie auf die klassische Kryptographie. Weitere potentielle Nutzergruppen, zum Beispiel in den Bereichen Klima und Umwelt, Biowissenschaften, Finanzwirtschaft, Energie und Mobilität sowie Elementar- und Astroteilchenphysik des KIT werden noch identifiziert.

Lehre und Community sind weitere Themen unserer Zusammenarbeit. Wir wollen gemeinsam Lehrkonzepte erarbeiten, beispielsweise Ringvorlesungen und Praxisseminare. Auch denken wir an Vorlesungen im Bereich Machine Learning auf dem Quantencomputer. Da sich Quantentechnologie so rasant weiterentwickelt, bin ich sehr gespannt darauf, wie sich die Kooperation mit IBM und dem KIT für unsere Studierenden weiterentwickelt und was wir in Zukunft noch anbieten können.