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Metzler meets Fraunhofer - 11.7.2019

„Unternehmen sollten sich schon jetzt mit den Quantentechnologien befassen“

Im Januar dieses Jahres hat IBM den ersten kommerziell nutzbaren Quantencomputer auf den Markt gebracht. Weltweit arbeiten Experten mit Hochdruck an der Weiterentwicklung von Systemen mit bislang unvorstellbaren Möglichkeiten. Über Chancen und Risiken dieser neuen Technologie sprachen Dr. Erik Beckert vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik und Pascal Spano, Leiter Research Metzler Capital Markets. 

Spano: Die Berichterstattung in den Medien vermittelt den Eindruck, dass das Zeitalter des Quantencomputers unmittelbar bevorsteht. Herr Dr. Beckert, wie weit sind wir tatsächlich von stabil laufenden Systemen entfernt?

Beckert: Der Quantencomputer wird vermutlich in den nächsten zwei bis fünf Jahren real eingesetzt werden. Zwar untersuchen noch immer zahlreiche Forschergruppen in aller Welt die grundlegenden Mechanismen, gleichzeitig sind aber auch Industriegiganten wie Google und IBM dabei, Quantencomputer zu entwickeln. IBM beispielsweise bietet eine öffentlich zugängliche Web-Schnittstelle zu einem ersten einfachen Prototypen eines Quantencomputers an. 

Spano: Warum kann der Quantencomputer alle derzeit vorhandenen Supercomputer in die Tasche stecken?

Beckert: Im Gegensatz zur klassischen Informatik mit ihrer Binärcodierung – also „0“ und „1“ – nutzen Quantencomputer quantenmechanische Zustände, sogenannte Qubits. Diese können in sogenannten Superpositionszuständen existieren. Vereinfacht ausgedrückt, können sie gleichzeitig in den Zuständen „0“ und „1“ sein, wodurch Rechenoperationen parallel ablaufen. Mit Quantencomputer lassen sich daher schon mit relativ wenigen Qubits komplexe Probleme lösen. 

Spano: Die Chips in den Computern sind im Laufe der Zeit immer kleiner und leistungsfähiger geworden. Jahrzehntelang folgte die Weiterentwicklung der Chiphersteller dem sogenannten Moore’schen Gesetz. Das heißt, die Anzahl der Schaltkreiskomponenten auf einem integrierten Schaltkreis verdoppelte sich alle zwei Jahre. Jetzt scheinen die Hersteller allerdings mit der Miniaturisierung der Chips an physikalische Grenzen zu stoßen. Werden Quantencomputer Ihres Erachtens den heute üblichen PC in absehbarer Zeit ablösen?

Beckert: Für klassische PC-Architekturen wird es auf absehbare Zeit weiterhin die üblichen Anwendungen geben. Diese werden durch den Quantencomputer nicht ersetzt.

Spano: Wo sehen Sie die besonderen Stärken des Quantencomputers gegenüber den herkömmlichen Rechnern?

Beckert: Das vollständige Potenzial der Quantentechnologien lässt sich derzeit noch schwer abschätzen. Man vergleicht den gegenwärtigen Zustand des Quantencomputers häufig mit den ersten Computern in „klassischer“ Ausführung aus der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts. Die Quantenkommunikation heutzutage lässt sich mit den Anfängen des Internets in den 1970er-Jahren vergleichen. Die rasante Entwicklung der „klassischen“ Technologien kann man mit etwas Optimismus auch für die Quantentechnologien prognostizieren. Die nächste Dekade wird zu ernstzunehmenden Anwendungen der Quantentechnologien und auch des Quantencomputers konkrete Antworten liefern. Man geht gegenwärtig davon aus, dass sich der Quantencomputer für spezielle Probleme und komplexe Lösungsalgorithmen zum Beispiel in der Simulation sehr gut eignet.

Spano: Die Datenmengen in den Kapitalmärkten nehmen stetig zu. Schon heute gibt es spezialisierte Fondsgesellschaften, die automatisiert Nachrichten und Datenströme auswerten und daraus Handelssignale ableiten. Wir sind überzeugt, dass hier noch ganz viel passieren wird.

Beckert: Gegenwärtig sieht man das Anwendungspotenzial des Quantencomputers vor allem in der Simulation komplexer Probleme, in der rasanten Datenbankenrecherche und in der schnellen Lösung komplexer, spezieller mathematischer Probleme. Damit wird der Quantencomputer auch für Akteure im Kapitalmarkt interessant. Es gibt bereits erste Start-ups – zum Beispiel die JoS Quantum GmbH – die Quantencomputer zur Simulation kapitalmarktbasierter Problemstellungen anwenden möchten. 

Spano: Die Potenziale sind enorm – gibt es bei aller Euphorie auch eine Kehrseite der Medaille?

Beckert: Durchaus. Der Quantencomputer gilt auch als ernstzunehmende Bedrohung für die klassische Kryptografie und damit für die Vertraulichkeit der Kommunikation.

Spano: Die Verschlüsselung von Daten könnte also künftig problematisch werden?

Beckert: Genau. Es wurde zum Beispiel gezeigt, dass ein spezieller, auf Qubits basierender Algorithmus, der sogenannte Shor-Algorithmus, sehr effektiv eine Primfaktorenzerlegung durchführen kann. Diese Primfaktorenzerlegung ist grundlegend für die klassische, mathematisch basierte Kryptografie. Mit den heutigen Computern lassen sich solche Rechenoperationen weder in vertretbarer Zeit noch mit vertretbarem Aufwand lösen. Zwar entwickeln Kryptografen sogenannte Post-Quantum-Kryptografieverfahren, allerdings steht der mathematische Beweis noch aus beziehungsweise kann wohl nicht erbracht werden, dass diese nicht auch durch spezielle Algorithmen geknackt werden können.

Spano: Daten sind der Treibstoff der der digitalen Wirtschaft und müssen schnell und vor allem sicher übertragen werden. Denn Vertrauen ist hier die wichtigste Währung. Man denke nur an die Industrie 4.0, das Internet of Things und die Waren- und Geldströme an den globalen Märkten. 

Beckert: Quantentechnologien bedrohen zwar die vertrauliche, verschlüsselte Kommunikation, liefern gleichzeitig aber auch Lösungen: Die sogenannte Quantenkryptografie zielt darauf ab, Verschlüsselungen physikalisch und nicht mathematisch sicher zu realisieren. Abgesehen von der Kryptografie sieht man den Quantencomputer nicht als Bedrohung an, sondern als potenzielle Ergänzung für schon existierende Werkzeuge und Verfahren in Simulation und Design für zahlreiche Wissensgebiete. Dabei verspricht man sich von den Fähigkeiten des Quantencomputers insbesondere dort Lösungen, wo die heute und auf absehbare Zeit verfügbare Rechenpower für Problemstellungen mit einem unvertretbaren Aufwand in Zeit und/oder Kosten verbunden wäre.

Spano: In unseren Gesprächen mit Unternehmen begegnet uns das Thema am häufigsten in der Biotechnologie, vor allem in der präklinischen Forschung. Dort wird zum Beispiel eine Vielzahl komplexer Moleküle und Stoffe auf ihre mögliche pharmakologische Wirksamkeit getestet. Ein scheinbar ideales Anwendungsfeld für Quantencomputer. Ist jetzt der richtige Zeitpunkt für Unternehmen, sich mit dieser neuen Technologie zu befassen? Oder sollte man warten, bis die ersten wirklich funktionierenden Geräte ans Netz gehen?

Beckert: Unternehmen sollten sich schon jetzt mit den Quantentechnologien befassen. Es ist definitiv an der Zeit, die Entwicklung der Quantencomputer und die Ansätze zu deren Anwendung genauer unter die Lupe zu nehmen. Das tun neben pharmazeutischen auch bereits Unternehmen aus den Bereichen Automotive, chemische Verfahrenstechnik und Finanzwesen, da eine Verfügbarkeit von Quantencomputersystemen mittelfristig als gegeben angesehen werden muss und deren Nutzung einen Wettbewerbsvorteil bedeuten kann.

Spano: Deutschland hat viele Technologieinnovationen hervorgebracht, die Geschäfte damit wurden dann aber woanders gemacht. Dieser Umstand stimmt uns etwas betrüblich. In vielen Disziplinen hat Deutschland eine exzellente Hochschulausbildung. Es gelingt uns aber vielfach nicht, die besten Köpfe im Land zu behalten und ihnen ein Umfeld zu bieten, dieses Wissen auch anzuwenden. Wie ist Deutschland Ihres Erachtens in Sachen Quantencomputer aufgestellt? 

Beckert: Obwohl Einiges an guter Grundlagenforschung im Bereich Quantencomputer in Deutschland und Europa angesiedelt ist, wird Europa in Sachen Quantencomputer eher weniger wahrgenommen. Dies liegt vor allem daran, dass kommerzielle und anwendungsnahe Akteure aus den USA, wie IBM, Google und D-Wave, die Nachrichten zum Thema Quantencomputer bestimmen.

Spano: Die EU und auch Deutschland attestieren der Quantentechnologie eine hohe Zukunftsrelevanz. Auf EU-Ebene wurden Fördergelder von 1 Mrd. EUR ausgelobt, die Bundesregierung stellte 650 Mio. EUR in Aussicht. Ein wichtiges Signal in die deutsche Forschung. Führt man sich allerdings vor Augen, dass alleine Google im letzten Jahr über 20 Mrd. Dollar für Forschung und Entwicklung ausgegeben hat, relativieren sich diese Summen doch sehr stark. Wird bei uns also eher gekleckert oder doch geklotzt?

Beckert: Sowohl die EU als auch die nationalen europäischen Regierungen haben die Notwendigkeit der Investitionen in Quantentechnologien erkannt – hier wird in der Tat im Moment geklotzt. Wichtig dabei ist, dass konkrete Roadmaps den Forschungsbedarf im Bereich Grundlagenforschung identifizieren, dass aber gleichzeitig auch in erste anwendungsnahe Gebiete der Quantentechnologien investiert wird. Zu solchen Investitionen zählen die Quantenkryptografie, die Quantensensorik, aber auch der Quantencomputer.

Spano: Vielen Dank für das Gespräch.

Dr. Erik Beckert

Dr. Erik Beckert studierte Maschinenbau an der Technischen Universität Ilmenau, wo er 2005 auch promovierte. Seit 2001 ist er am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) beschäftigt, gegenwärtig als Gruppenleiter für Mikromontage und Systemintegra­tion. Er verantwortet neben Projekten aus den Bereichen Laser- und Weltraumtech­no­logien auch die Themen Quanten-Kommuni­ka­tion und Quanten-Imaging. In diesem Zusammen­hang ist Dr. Beckert in größeren Förderprojekten involviert, die beispielhafte Quanten-Infrastrukturen aufbauen für die physikalisch abhörsichere Kom­muni­kation zwischen zwei und mehr Teilnehmern.

Pascal Spano

Pascal Spano ist seit 2017 bei Metzler tätig und leitet den Bereich Research im Kerngeschäftsfeld Capital Markets. Vor seiner Tätigkeit bei Metzler war er von 2013 bis 2017 Geschäftsführer des von ihm mitgegründeten FinTech-Unternehmens PASST Digital Services GmbH in Köln. Davor leitete Herr Spano zwei Jahre den Bereich Cash Equities bei der UniCredit Group in München und Frankfurt am Main. Für die Credit Suisse Ltd. verantwortete er von 2007 bis 2010 als Head of German Research die Analyse deutscher Aktiengesellschaften. Zuvor war Herr Spano über zehn Jahre bei der Deutschen Bank im Bereich Global Markets Research tätig und baute für ABN Amro die deutschen Research-Aktivitäten aus Frankfurt und London mit auf. Nach absolvierter Bankausbildung und berufsbegleitendem Studium der Wirtschaftswissenschaften an der FernUniversität in Hagen ist er seit rund 20 Jahren Mitglied der Deutschen Gesellschaft für Finanzanalyse.

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