ideas: Frau Dr. Lorenz, Sie leiten die Abteilung »Quantum enhanced AI« am Fraunhofer-Institut für Kognitive Systeme IKS. Wie würden Sie jemandem, der sonst nur mit einem regulären PC arbeitet, einen Quantencomputer erklären?
Dr. habil. Jeanette Miriam Lorenz: Rechnet ein regulärer Computer mit Bits, die einen Wert von null oder eins einnehmen können, rechnet ein Quantencomputer mit sogenannten Quantum-Bits (»Qubits«), die beide Werte gleichzeitig darstellen können. Man kann sich das mit einer Münze vorstellen: Wenn ein normaler Computer nur mit einer Seite der Münze rechnen würde (Kopf oder Zahl), würde ein Quantencomputer mit einer rotierenden Münze rechnen, wo man nicht mehr sehen kann, ob die Münze gerade Kopf oder Zahl zeigt. Wir nennen diesen Effekt Überlagerung, und dieser Effekt erlaubt es, Berechnungen »natürlich« zu parallelisieren, wie auch mehrere Optionen oder Daten gleichzeitig darzustellen oder damit zu rechnen. Zudem kann ein Quantencomputer durch weitere Quanteneffekte, die Effekte der Verschränkung und Interferenz, manche Berechnungen deutlich effizienter ausführen als ein regulärer Computer. Das muss nicht immer bedeuten, dass die Berechnung mit einem Quantencomputer schneller als mit einem regulären Computer ausgeführt werden kann – andere Vorteile können sein, dass Daten in einer anderen Art und Weise von einem regulären Computer und einem Quantencomputer interpretiert und somit analysiert werden können. Auch ist es wichtig, zu verstehen, dass ein Quantencomputer einen regulären Computer nicht ersetzen wird – da ein Quantencomputer komplett anders arbeitet und rechnet als ein regulärer Computer, wird ein Quantencomputer reguläre Computer zukünftig bei gewissen Rechenaufgaben synergetisch ergänzen.

Geben Sie uns einen Blick in Ihren Alltag: Was ist der Kernauftrag Ihres Teams – und wie sieht Ihre Arbeit konkret aus?
Mein Team erforscht die Anwendungsmöglichkeiten von Quantencomputing. Wie eingangs erwähnt, wird es nicht sinnvoll sein, jede Art von Berechnung auf Quantencomputern durchzuführen. Wir müssen also verstehen, für welche Art von Fragestellungen sich der Einsatz von Quantencomputing lohnt und für welche nicht. Zudem ist ein Quantencomputer aufgrund seiner quantenmechanischen Eigenschaften ein sehr empfindliches Gerät, das heißt stark von möglichen Störeinflüssen aus der Umgebung beeinflusst. Es ist daher sicherzustellen, dass das Berechnungsergebnis eines Quantencomputers tatsächlich korrekt bzw. genau genug ist. Dieser Aspekt ist auch abgesehen von Umgebungseinflüssen bei Quantencomputern ein sehr wichtiger Punkt: Durch die Überlagerung von zwei Werten (0 und 1) und seinen quantenmechanischen Eigenschaften rechnet ein Quantencomputer probabilistisch, das heißt mit Wahrscheinlichkeiten. Auch wenn genau durch diesen Aspekt die wesentlichen Vorteile des Einsatzes von Quantencomputing entstehen, so ist doch auch sicherzustellen, dass dem probabilistischen Ergebnis am Ende vertraut werden kann. Genau das macht schließlich unsere Arbeit aus: Wir erforschen tagtäglich, wo sich Quantencomputer sinnvoll in industrielle Workflows und Berechnungen integrieren lassen und wie wir diese Integration so durchführen können, dass man sich am Ende auf das Berechnungsergebnis auch wirklich verlassen kann.

An welcher Stelle kann Quantencomputing die künstliche Intelligenz aus Ihrer Sicht realistisch beeinflussen und voranbringen?
Wissenschaftlich gesehen sind erst einmal unterschiedliche Möglichkeiten vorhanden, wie Quantencomputing mit künstlicher Intelligenz kombiniert werden könnte. Grundsätzlich geht es immer darum, die Berechnung (also den KI-Algorithmus) ganz oder teilweise auf oder mit Unterstützung eines Quantencomputers durchzuführen. Wo das genau sinnvoll ist, ist wiederum Bestandteil der derzeitigen Forschung. Jedoch kristallisieren sich insbesondere drei Richtungen heraus: Manche Quanten-KI-Algorithmen werden mit deutlich weniger Daten im Training auskommen oder die Daten anders interpretieren als reguläre Computer. Dadurch werden gewisse Fragestellungen lösbar, bei denen eine KI auf regulären Computern bislang nicht trainierbar ist. Das Lösen linearer Gleichungssysteme, was essenzieller Bestandteil von KI-Algorithmen ist, könnte mit deutlich weniger Rechenschritten als mit regulären Computern realisiert werden. Und dann wird auch noch vermutet, dass Quantencomputer die Berechnungen deutlich energieeffizienter durchführen könnten.

Welche anderen Bereiche könnten noch maßgeblich vom Fortschritt im Quantencomputing profitieren?
Nachdem es sich beim Quantencomputing prinzipiell erst einmal um eine ganz neue Art des Rechnens handelt, können grundsätzlich alle rechenintensiven Bereiche profitieren, bzw. der Deep-Tech-Sektor im Allgemeinen. Anwendungsmöglichkeiten werden beispielsweise auch im Bereich der Optimierungsfragestellungen erwartet, relevant zum Beispiel für den Logistikbereich, den Aerospace-Bereich, den Pharmabereich etc. Sehr relevant wird Quantencomputing vermutlich auch für Bereiche sein, in denen Materialien oder Moleküle simuliert werden, wie beispielsweise in der Chemie- oder Pharmabranche.

Trotz des Potenzials gibt es noch große Herausforderungen. Was steht Ihrer Meinung nach derzeit dem Durchbruch im Weg?
Tatsächlich sind momentan die Herausforderungen noch vielfältig. Zum einen sind verfügbare Quantencomputer immer noch zu klein in ihrer Anzahl an Qubits und zu verrauscht. Es werden also »bessere« und größere Quantencomputer benötigt. Zum anderen ist jedoch die Software-Infrastruktur zu schaffen, sodass effizient mit Quantencomputern gerechnet werden kann. Hierbei ist insbesondere auch frühzeitig zu untersuchen, wie Quantencomputer effizient und sicher in die industrielle Wertschöpfung eingebunden werden können. Und dann, um auf das Eingangsthema zurückzukommen, müssen wir nach wie vor verstehen, für welchen Teil einer Berechnung der Einsatz von Quantencomputern wirklich lohnend und perspektivisch auch wirtschaftlich ist.

Auf welchen Zeithorizont blicken wir Ihrer Einschätzung nach, bis Quantencomputer in der Praxis auf breiter Front eingesetzt werden können?
Wirklich seriös können wir das zurzeit nicht sagen – es sind hier noch einige Innovationsschritte zu gehen. Allerdings: Erste kleine »perfekte«, sogenannte fehlerkorrigierte bzw. -tolerante Quantencomputer werden in den nächsten wenigen Jahren erwartet. Somit ist davon auszugehen, dass wir in den kommenden Jahren hier bedeutende Fortschritte in Richtung der Anwendbarkeit von Quantencomputern machen werden.

Wie schätzen Sie die Quantencomputing-Forschung in Deutschland im internationalen Vergleich ein – insbesondere gegenüber den USA und China?
Die deutsche Forschungs-Community ist sehr stark auf internationalen Konferenzen repräsentiert und erzielt regelmäßig international herausragende Erfolge. Insofern geht es im Moment eher darum, die Forschungsdynamik durch entsprechende Förderprogramme und -projekte zu erhalten.

Vielen Dank für das Gespräch.
Das Interview führte Anja Schneider.