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Neues System von IBM Wie der „Superkühlschrank“ den Durchbruch bei Quantencomputern ermöglichen soll

IBM hofft auf den Durchbruch bei Quantencomputern: Ein neues Modell namens „Quantum Condor“ soll 2023 für einen breiten Einsatz in der Wirtschaft bereitstehen.
16.09.2020 - 11:53 Uhr Kommentieren
Quantencomputer: IBM setzt auf den Durchbruch
Neuer Quantencomputer von IBM

Je leistungsfähiger die Quantencomputer, desto größer die Kühlung: IBM hat deswegen ein neues System entwickelt.

Düsseldorf Die Theorie klingt revolutionär. Quantencomputer sollen komplexe Aufgaben, für die klassische Rechner viele Monate oder Jahre benötigen, in wenigen Minuten lösen können – zum Beispiel bei der Suche nach neuen Medikamenten oder der Steuerung des Verkehrs in einer Großstadt. Die Bundesregierung hat deswegen jüngst ein großes Förderprogramm aufgelegt. Die Realität ist bislang aber ernüchternd – kommerziell sind die Maschinen nur eingeschränkt nutzbar.

Geht es nach IBM, könnte sich das aber bald ändern: Der IT-Konzern hat erstmals einen Zeitplan für die Entwicklung von Quantencomputern angekündigt. Bereits 2023 soll das Modell „Quantum Condor“ mit einer Leistung von mehr als 1100 Qubits herauskommen, wesentlich mehr als heutige Systeme, die weniger als 100 Qubits aufweisen. Das geht deutlich über die bisher bekannten Ziele hinaus.

Das neue System soll klassische Computer bei bestimmten Aufgaben einholen oder leicht übertreffen, also entweder schneller oder kosteneffizienter sein – „Quantum Advantage“ nennen Forscher diesen Zustand.

„Unser Ziel ist, dass wir in zwei Jahren Beispiele für industrielle Anwendungen haben, bei denen Quantencomputer Vorteile bieten“, sagte Heike Riel, die bei IBM in der Forschungsabteilung den Bereich Wissenschaft und Technologie leitet, dem Handelsblatt.

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    Es handelt sich jedoch nur um einen Zwischenschritt: Die Technologie sei die Grundlage für noch größere Systeme mit geringer Fehleranfälligkeit, betont IBM. Bis zu eine Million Qubits sind nach Ansicht des Konzerns denkbar, wobei er für dieses Ziel keinen Zeitraum nennt. Spätestens das könnte der große Durchbruch für die Technologie sein.

    Klassische Computer verwenden Bits, um Probleme zu lösen, sie teilen die Welt in Nullen und Einsen. Quantencomputer nutzen dagegen Qubits, die mehrere Werte gleichzeitig einnehmen können – die Gesetze der Quantenmechanik, die selbst für Physiker schwer zu verstehen sind, machen das möglich.

    Rechnen dank Quantenmechanik

    Dadurch können die Systeme eine deutlich größere Rechenleistung erzielen, besonders bei der Simulation von Stoffen und bei der Optimierung von Algorithmen. Zumindest theoretisch: Bislang weisen die Systeme eine hohe Fehlerrate auf.

    Mehrere Unternehmen, Universitäten und Forschungseinrichtungen arbeiten jedoch daran, die Leistungsfähigkeit zu verbessern, die Spezialisten mit dem sogenannten Quantenvolumen messen. Dafür verbessern sie einerseits die Rechenkraft, für die die Zahl der Qubits ausschlaggebend ist, und senken andererseits die Fehlerrate, die für die Nutzbarkeit ein entscheidender Faktor ist. Auch der Aufbau der Systeme spielt eine Rolle.

    IBM, das bei der Entwicklung der Technologie zu den führenden Unternehmen zählt, will nun eine verbindliche Planung für die Entwicklung kommerziell nutzbarer Systeme vorlegen. „Im Augenblick sind Quantensysteme noch in einer frühen Phase, sie können die Leistungsfähigkeit eines Supercomputers nicht schlagen“, sagt Riel – „aber wir sind in einem sehr dynamischen Entwicklungszustand, und mit dieser Roadmap zeigen wir einen klaren Weg auf, wie wir ein Quantensystem mit mehr als 1000 Qubits und mehr bauen.“

    Das Unternehmen will die Leistung der Systeme in den nächsten Jahren kontinuierlich steigern, wie es in einem Blog dokumentiert: Das Modell „Quantum Eagle“ soll ab 2021 mit 127 Qubits rechnen, „Quantum Osprey“ im Jahr darauf mit 433 Qubits, dann folgt „Quantum Condor“ mit 1121 Qubits. In einer nicht bezifferten Zeit danach soll die Leistung sogar auf bis zu eine Million Qubits steigen.

    Um die Leistungsfähigkeit zu steigern, setzt IBM an verschiedenen Punkten an. So entwickelt der Konzern neue Komponenten, um das Verhalten von mehr Elementarteilchen gleichzeitig auslesen zu können. Zudem will er ähnlich wie bei klassischen Prozessoren mehrere Recheneinheiten miteinander kombinieren.

    Und er hat einen „Superkühlschrank“ entwickelt, der zwei Meter breit und mehr als drei Meter hoch ist. Auch große Systeme lassen sich darin auf Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt von rund -273 Grad Celsius kühlen.

    „Von der Hardware bis zu den Anwendungen muss sich alles parallel weiterentwickeln“, sagt Riel. „Wir haben intern alle Kräfte darauf ausgerichtet.“ Wissenschaftler aus IBM-Forschungszentren in den USA, der Schweiz, Irland, Israel, Japan, Südafrika und Australien arbeiten daran mit, wie viele es genau sind, teilte der Konzern nicht mit.

    Neue Medikamente und weniger Stau

    Die Forschung soll dabei einen konkreten kommerziellen Nutzen haben: Kunden sollen über die Cloud auf die Systeme zugreifen und so „komplexe Geschäftsprobleme lösen können“, an denen herkömmliche Systeme scheitern, wie Riel verspricht.

    Welche das sind, will der IT-Konzern mit seinen Partnern erforschen. In einem Netzwerk sind 115 Unternehmen aus verschiedenen Branchen organisiert, darunter Daimler, Exxon Mobil und Goldman Sachs.

    Ein Einsatzgebiet sei beispielsweise die Pharmaforschung, erklärt Riel: Bei der Suche nach Molekülen, die sich für Medikamente eignen, könnten Quantencomputer das Verhalten vorhersagen und so die Entwicklungszyklen verringern. Neue Einsichten erhoffen sich Wissenschaftler auch bei der Verbesserung von Batterien oder der Erforschung der Proteinfaltung, die Einfluss auf die Entstehung von Krebszellen hat.

    Auch bei den vielen Optimierungsaufgaben, mit denen sich die Informatik beschäftigt, ist die neue Technologie vielversprechend – etwa bei der Entwicklung von Risikomodellen in Banken und Versicherungen. „Quantencomputer ermöglichen es, in weniger Zeit ein besseres Ergebnis zu erzielen“, sagt Riel. Einige Anwendungen sind zudem erstmals in Echtzeit möglich, etwa die Steuerung des Verkehrs in einer Großstadt.

    „Uns ist wichtig, dass wir nicht ein Problem generieren, das wir lösen, sondern dass der Quantencomputer auf bestehende Probleme losgelassen wird“, betonte die Forscherin. Ein Seitenhieb auf den Konkurrenten Google: Der Konzern hatte im vergangenen Jahr ein System angekündigt, das der klassischen Architektur um mehrere Größenordnungen überlegen war, allerdings bei einer sehr speziellen Anwendung.

    Mehr: Die Quantenoffensive: Wie Deutschland den Vorsprung der USA aufholen will

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