Der Neubau, der den größten Quantencomputer Europas beherbergt, sieht nicht gerade beeindruckend aus. Wenn es Fenster in seiner holzverkleideten Außenwand hätte, könnte es auch die Kita des Forschungszentrums Jülich sein, wo es zwischen grauen Institutsgebäuden steht. Kristel Michielsen schließt die einzige Außentür auf, die in ein Foyer führt. An der Rückwand befinden sich zwei Glastüren. Durch die linke schimmert Orange wie aus einer Bar. „Da drin arbeitet der D-Wave-Computer“, sagt Michielsen, Leiter der Gruppe Quantum Information Processing. Sie öffnet die Tür, drinnen begrüßt ein Summen die Besucher und eine schwarze Box von der Größe eines Badezimmers. An einer Kante leuchten orangefarbene Buchstaben: „Vorteil“ verkünden sie – „Vorteil“.
Der Name des Quantencomputers ist ein Versprechen: Der Computer der kanadischen Firma D-Wave Tasks soll Aufgaben viel schneller und präziser lösen, als es selbst Supercomputer heute können. Es ist jedoch nicht das erste seiner Art: Seit 2020 arbeiten zwei weitere Exemplare von Advantage in der D-Wave-Zentrale in der Nähe von Vancouver. Über einen Cloud-Zugang teilen sich dort Forscher und Unternehmen Rechenzeit. Bisher hat Michielsens Jülicher Team dasselbe getan. „Aber jetzt können wir Advantage zusammen mit der Industrie selbst ausprobieren“, sagt Michielsen. „Wir wollen das Potenzial dieser Technologie ausloten.“
Die Wirtschaft interessiert sich für Advantage wegen der Art von Problemen, für die es der Entwickler entwickelt hat: Optimierungsprobleme. Das klingt wissenschaftlich, ist aber alltägliche Praxis. Unternehmen verschwenden oft Zeit, Personal und Geld, indem sie aus einer Fülle möglicher Lösungen auswählen, die weit von der bestmöglichen entfernt sind. Auch bei vermeintlich einfachen Aufgaben liegt das Optimum im Dickicht der Komplexität, wie Michielsens Kollege Carlos Gonzalez Calaza verdeutlicht.
Die Optimierung eines Feldes mit nur wenigen Pflanzensorten kann klassische Computer überfordern
„Ich pflanze Gemüse auf meiner Terrasse“, beginnt Calaza seine Ausführungen in seinem Büro nahe dem Neubau mit dem Quantencomputer. Er wollte auf engstem Raum mehrere Pflanzenarten anbauen. Es gibt Pflanzen, die gerne nebeneinander wachsen, und es gibt solche, die sich nicht mögen, erklärt er. Tomaten und Gurken sollten zum Beispiel nicht in zwei Töpfen nebeneinander stehen, Tomaten und Salat aber schon.
Als Calaza versuchte, die Anordnung seiner Pflanzen mit Block und Stift zu optimieren, wurde ihm klar, wie komplex die Aufgabe war. Selbst für drei Sorten gibt es sechs Möglichkeiten, sie aneinander zu reihen. Die Anzahl der Kombinationen vervielfacht sich mit jeder neuen Sorte. Verteilt man die Töpfe auf einer Fläche, muss man noch mehr Nachbarschaften berücksichtigen. „Wenn man nur ein Paar wechselt, wirkt sich das auf das ganze Feld aus“, erklärt Calaza. Es entsteht ein dichtes Netz von Möglichkeiten, in dem es eine Reihe von Lösungen gibt, die so lala sind. Doch wo im Dickicht verbirgt sich die allerbeste Lösung, bei der jede Pflanze die ideale Nachbarschaft hat?
Die Aufgabe gehört zu einer Klasse von Problemen, deren Komplexität selbst die leistungsstärksten klassischen Computer überfordert. Also dachte Calaza, dass dies eine gute Möglichkeit wäre, den Rechner von D-Wave zu testen. Das ist mehr als Spielerei. Denn es gibt jede Menge Aufgaben, deren Komplexität im Geschäftsalltag schnell explodiert. Flughäfen müssen jeden Tag Hunderte von Flugzeugen an wenigen Gates möglichst reibungslos abfertigen. Das Optimum ist aufgrund der vielen Möglichkeiten und einer Reihe von Randbedingungen schwer zu finden. Einige Flugzeuge sind zu groß für ein bestimmtes Gate oder blockieren benachbarte Gates.
Auch die Logistik von Supermarktketten ist hochkomplex, der Produktionsprozess in Fabriken, der Ausgleich von Risiken und Renditen in Lagerbeständen. Auch maschinelles Lernen, wie es zur Steuerung autonomer Fahrzeuge eingesetzt wird, ist im Kern eine Optimierungsaufgabe.
Ein paar hundert Qubits können mehr Werte enthalten, als es Atome im Universum gibt
Quantencomputer könnten diese harten Nüsse knacken. Ihre größte Stärke: Sie können nahezu beliebig viele Optionen parallel verarbeiten. Grundlage dafür ist das „Quantenbit“, kurz Qubit. Es ist eine Erweiterung des Bits, der kleinsten Informationseinheit eines klassischen Computers, die zwischen den Werten 0 und 1 umschalten kann. Die Quantenphysik ignoriert dieses Entweder-Oder. Teilchen wie Atome oder Elektronen können gleichzeitig mehrere Zustände annehmen, sich beispielsweise an zwei Orten gleichzeitig befinden.
Wenn Sie einen Zustand als 0 und den anderen als 1 definieren, erhalten Sie eine Informationseinheit, die beide Werte gleichzeitig erfassen kann. Jedes weitere Qubit verdoppelt die Kapazität. Zwei Qubits enthalten parallel vier Werte, drei Qubits enthalten acht Werte und so weiter. Ein paar hundert Qubits können mehr Werte enthalten, als es Atome im Universum gibt. Physiker verwenden Laser oder Mikrowellen, um Qubits zu manipulieren und mit ihnen zu interagieren. So führen sie Algorithmen aus, dh die Qubits rechnen gleichzeitig mit allen gespeicherten Werten.
Advantage ist eine besondere Art von Quantencomputer und nicht zu verwechseln mit denen von IBM oder Google, die noch nicht praxistauglich sind. Die Entwickler dieser Tech-Giganten haben einen anderen Anspruch: Die Computer sollen frei programmierbar sein und verschiedenste Anwendungen beschleunigen. Advantage hat mit mehr als 5000 Qubits deutlich mehr als diese Quantencomputer, bleibt aber auf Optimierungsaufgaben beschränkt.
Diese löst er immer mit der gleichen Methode. Die 5000 Qubits repräsentieren gleichzeitig alle möglichen Kombinationen des Problems. Im Gartenbeispiel sind das alle möglichen Anordnungen der Pflanzen in den Töpfen, sowohl günstige als auch ungünstige. Gleichzeitig errechnet der Algorithmus für alle Möglichkeiten einen „Preis“, der umso höher ist, je mehr unliebsame Nachbarn eine Anlage hat. Physikalisch spiegelt sich der Preis als Energie wider. Somit hat das Optimum die kleinste Energie. Da physikalische Systeme zum Energieminimum tendieren, verschwinden die suboptimalen Lösungen von selbst aus den Qubits. Die optimale Lösung bleibt erhalten und kann ausgelesen werden.
„In nur einem Zehntel der Zeit konnten wir den Return on Investment um zehn Prozent steigern.“
Die Qubits bestehen aus dem Metall Niob, das bei einer Temperatur von wenigen Grad über dem absoluten Nullpunkt von minus 273 Grad Celsius Strom ohne Widerstand leitet. In diesem Zustand gehorcht der Strom der Quantenphysik. Wenn Sie das Metall zu einer Schleife formen, zirkuliert der Strom gleichzeitig nach links und rechts. Die beiden gleichzeitigen Stromrichtungen bilden ein Qubit. Die Qubits von Advantage passen auf einen fingernagelgroßen Chip. Die Kältetechnik, die Isolierung und die Steuerelektronik nehmen einen großen Teil der badezimmergroßen Kiste in Jülich ein. Ein Blick ins Innere ist dem Besucher jedoch nicht gestattet.
Wichtiger ist ohnehin, was die Blackbox ausspuckt. Die Nutzer der Schwesterrechner in Kanada zeigten sich beeindruckt von der Einweihung des Jülicher Rechners. Einer von ihnen ist Gonzalo Gortazar, Chef der spanischen Caixabank. Sein Haus optimierte ein Anlageportfolio mit dem D-Wave-Rechner. „Wir konnten den Return on Investment in nur einem Zehntel der Zeit um zehn Prozent steigern“, sagt Gortazar.
Vern Brownell, Geschäftsführer von D-Wave-Systems, beschreibt ein Beispiel aus der Logistik. Eine kanadische Supermarktkette fragte, weil die Lebensmittellieferketten in der Corona-Pandemie komplexer geworden seien. „Sie brauchten etwa 25 Stunden pro Standort und Woche, um eine optimale Lösung zu berechnen“, sagt Brownell. Mit Hilfe des Computers von D-Wave war das Problem in jeweils zwei Minuten gelöst.
Der Quantencomputer aus Kanada optimiert also mit hoher Geschwindigkeit. Aber es bleibt offen: Übertrifft es klassische Computer wirklich? Bisher haben Forscher keine eindeutige Antwort gefunden. Zunächst stellt sich die Frage, wie zuverlässig Advantage die optimale und nicht nur die zweit- oder drittbeste Lösung findet. Dazu gab das Team um Kristel Michielsen dem Computer Probleme, deren optimale Lösung es bereits kannte. „Wir haben sehr unterschiedliche Ergebnisse gesehen“, berichtet Michielsen. In einigen Fällen hat der Quantencomputer die optimale Lösung gefunden, in anderen Fällen nicht die allerbeste. Manchmal eher schlechte Lösungen.
Hin und her gehen Forscher auch bei der Frage, ob Advantage schneller zu Lösungen kommt als die schnellsten bisherigen Optimierungsmethoden. Mit Tricks finden auch klassische Computer im Dickicht der Komplexität sehr gute Lösungen, auch wenn es nicht die allerbesten sind.
Zunächst sah es so aus, als hätte D-Wave die Nase vorn. Das Unternehmen veröffentlichte 2017 ein Forschungspapier, Demnach ist der D-Wave-Rechner 2500-mal schneller als die besten klassischen Methoden. Doch die Kritik folgte prompt: Die klassischen Methoden ließen sich noch stark vereinfachen, schreiben Forscher um Salvatore Mandrà vom Ames Research Center der NASA. Es ist möglich, dass auch die Kunden von D-Wave die herkömmlichen Methoden nicht ausgeschöpft haben. „Bisher fehlt es an wissenschaftlichen Beweisen dafür, dass D-Wave-Computer einen Vorteil haben“, sagt der Quantencomputer-Experte Scott Aaronson von der University of Texas at Austin.
„Ein ehrlicher Vergleich ist sehr schwierig“, sagt Kristel Michielsen. Sie sieht Advantage als Forschungsprojekt. Mit dem Quantencomputer auf dem eigenen Campus will ihr Team die Physik von Qubits besser verstehen. „Vielleicht entdecken wir neue Wechselwirkungen zwischen den Qubits, die einen Vorteil bringen könnten“, sagt der Quanteninformatiker. Gleichzeitig soll das praktische Potenzial von Advantage gemeinsam mit Unternehmen erforscht werden. „Geplant sind Projekte mit der Autoindustrie oder mit Energieversorgungsunternehmen“, sagt Michielsen. Der größte Quantencomputer Europas wird also reichlich Gelegenheit haben, sein Können unter den Augen vieler Forscher unter Beweis zu stellen.