Zu Besuch im „Quantum Valley“ der USA

In einer ruhigen Waldgegend im US-Bundesstaat New York, rund eine Stunde Autofahrt von Manhattan entfernt, befindet sich das Thomas J. Watson Research Center. Der runde Bau des finnischen Architekten Eero Saarinen ist von grünem Rasen und Bäumen umgeben, auf dem sich Scharen von Wildgänsen tummeln. 

IBM, einer der ältesten Tech-Konzerne der Welt, betreibt hier sein wichtigstes Forschungszentrum. Der Konzern konnte die Hälfte eines kürzlich verkündeten Investments einstreichen, mit dem die US-Regierung in der letzten Maiwoche aufhorchen ließ. Mit 2 Milliarden Dollar aus Töpfen des Handelsministeriums beteiligt sich die US-Regierung an Unternehmen, die die amerikanische Quantenindustrie technologisch voranbringen sollen.

Beobachter sprechen bereits von einem neuen „Manhattan Project“ – einem technologischen Wettrüsten im Quantenbereich. China hat die Technologie in seinem im März vorgestellten 15-Jahres-Plan als eine von 5 Schlüsseltechnologien präsentiert und soll rund 15 Milliarden Dollar in die eigene Quanten-Technologie stecken.

Die IBM-Milliarde fließt in ein neues Tochterunternehmen namens Anderon, eine Quantenchip-Fabrik. IBM selbst möchte in den nächsten 5 Jahren 10 Milliarden Dollar in den Bereich investieren. 

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Das NVIDIA der Quanten

Die futurezone folgte einer Einladung von IBM in die Forschungsstätte, die mit Designermöbeln eingerichtet ist. „Heute stellen wir die am besten performende Quanten-Hardware der Welt her und unser Ziel ist es, das auch weiterhin zu machen“, erklärt George Tulevski, Programmdirektor des IBM Think Labs, den 12 angereisten Journalisten aus aller Welt: „Wir wollen das NVIDIA der Quanten werden.“ 

Er hebt einen klassischen, tellergroßen Silizium-Wafer in schimmernden Regenbogenfarben in die Höhe, der zurechtgeschnitten heute in den meisten Computern und Handys steckt. Außerdem liegt am Tisch ein KI-Prozessor. Das Highlight im Raum ist aber ein Prozessor für Quantencomputer, den IBM entwickelt hat. Im Inneren befindet sich eine Quantum Processing Unit (QPU).

Quantenprozessor für die neue Zeit

Während Tulevski spricht, zeigen digitale Dashboards im Hintergrund Zahlenkolonnen und Begriffe wie „Starling“, „Nighthawk“ und „Blue Jay“ – das sind Quantencomputer, die Kunden aus vielen Ländern der Welt nutzen können. 300 Partner und 75 Unternehmen verwenden die neuen Computer derzeit via Cloudzugriff. 

Eine Minute im Datencenter koste im Durchschnitt 96 Dollar, meint Tulevski auf Nachfrage. Der genaue Preis sei aber im Einzelfall zu eruieren. Die Quantencomputer befänden sich entweder in einem Datencenter in den USA, in Deutschland nahe Stuttgart oder an Partnerstandorten, wie Universitäten oder Forschungszentren.

„Moderne Supercomputer-Infrastruktur sind Räume voll mit CPUs und GPUs“, erklärt Tulevski. In dieser Infrastruktur integriere IBM nun auch QPUs. Das nennt das Unternehmen „quantenzentrisches Supercomputing.“ IBM arbeite an einer systemübergreifenden Struktur, in der herkömmliche Chips mit den Quantenchips zusammenarbeiten. Neben der passenden Hardware würden jetzt kluge Menschen die passende Software und Algorithmen für die neuen Computer entwickeln.

„Man kann sich Quantencomputer als neues Rechenwerkzeug vorstellen. Einen Beschleuniger, der zur traditionellen CPU- und GPU-Infrastruktur passt, aber mit dem man eine Algebra machen kann, die auf klassischen Computern nicht gut skaliert,“ erklärt Tulevski. Anders als herkömmliche Computer rechnen Quantenchips nicht mit Nullen und Einsen, sondern mit Zwischenzuständen. So können sie simultan rechnen und dadurch unzählige Möglichkeiten gleichzeitig erkunden. 

Mysteriöse Schränke und Kronleuchter

Vorbei an raumhohen Schränken, die leise brummen und die Journalisten nicht fotografieren sollen, führt Tulevski zum „Kronleuchter“, der in der Luft hängt. Die edle Konstruktion schimmert golden. Sie ist ein Modell des Kühlkörpers, für den etwa handflächengroßen Quantencomputer-Chip.

Tulevski vergleicht die Quantenchips mit GPUs. Auch die hätten sich vor einigen Jahren plötzlich als Chip der Wahl erwiesen, weil sie Matrixmultiplikationen von KI-Algorithmen schneller berechnen als CPUs. Bei QPUs sei das ähnlich: Die würden sich etwa für Optimierungsprobleme oder die Faktorisierung großer Zahlen besser eignen, wo andere Chips viel langsamer rechnen.

Protein mit 12.000 Atomen entschlüsselt

Einen Kernanwendungsbereich sieht IBM in chemischen Berechnungen. Immer wieder verweisen Mitglieder des IBM-Führungskaders auf ein Beispiel: Gemeinsam mit der Cleveland Clinic und dem japanischen Supercomputer RIKEN sei ihnen mit Quantencomputern heuer die Entschlüsselung eines Proteins mit mehr als 12.000 Atomen in kurzer Zeit gelungen.

Aber die neuen Geräte seien auch für andere Aufgaben nützlich. „Stellen Sie sich ein großes, komplexes Optimierungsproblem mit mehreren Zielfunktionen vor. Wie berechnet man die sogenannte Pareto-Front über mehrere Zielfunktionen hinweg?“, sagt Tulevski. Künftig will IBM auch KI-Anwendungen durch Quantencomputer verbessern und noch leistungsfähiger machen.

Testwerkstatt für neue Quantencomputer

Danach spaziert die Gruppe vorbei an Schwarzweißbildern von berühmten Wissenschaftern, die für IBM tätig waren. Darunter sind Nobelpreisträger wie Heinrich Rohrer und Gerd Binning, die Erfinder des Rastertunnelmikroskops. Die nächste Station ist das Quantum Lab. Es ist eine Art Werkstatt hinter einer einsehbaren Glasscheibe. 4 Tanks hängen dort von der Decke, die etwa so groß sind, wie ein ausgewachsener Mensch. Rundherum liegen Werkzeuge und Materialien, mit denen Jeffrey Sleight, der Leiter des Labors, neue Quantencomputer vor ihrer Auslieferung testet: „Wir wollen wissen, ob alle Qubits funktionieren“, erklärt er.

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Auch in diesem Raum brummt es wieder - ähnlich wie ein großer alter Kühlschrank. Das ist kein Zufall: Die Computer sind in den weißen Containern zur Kühlung in ein äußerst kostspieliges Heliumgasgemisch eingebettet. 

Im kalten Heliumbad

Supraleitende Quantencomputer brauchen extrem niedrige Temperaturen nahe des absoluten Nullpunktes. Die Heliumgase ermöglichen Quantenzustände durch die extreme Abkühlung – höhere Temperaturen lassen die Atome stärker schwingen und verhindern die Quantenzustände. Hier kommt wieder der Kronleuchter, den wir zuvor gesehen haben, ins Spiel: Er ist das Kühlsystem. Der Quantenchip sitzt an der kältesten Stelle im Gasbad ganz unten.  

Helium-3 ist sehr teuer: Ein einziger Tank kann zwischen Hunderttausenden bis zu Millionen Euro kosten. Bei IBM bleibe das Gas aber in einem Kreislauf erhalten. Ganz glatt läuft trotzdem nicht alles bei der Entwicklung der neuen Computergeneration: „Unser derzeit größtes Problem ist wahrscheinlich, das Ganze hochzuskalieren“, meint Sleight.

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Riskante Schlüsseltechnologie

Leistungsfähige Quantencomputer dieser Art könnten möglicherweise nicht nur bestehende Verschlüsselungssysteme knacken, was Banken und Regierungen Sorgen bereitet, sondern auch bedeutende Durchbrüche bei der Entwicklung neuer Materialien, Batterien, Medikamenten, bei Fusionsenergie und Finanzmarktoptimierungen bringen.

„Es sind erst die frühen Tage der Quantentechnologie“, erklärt Jerry Chow, CTO für Quanten-Supercomputing, den versammelten Journalisten nach dem Werkstattbesuch. „Mitte 2030 sehen wir eine Möglichkeit, kryptografisch relevante Quantencomputer zu bauen,“ meint er. Mit der Faktorisierung von Zahlen – also dem Knacken von Verschlüsselung – beschäftigt sich IBM aber nicht.  

Derzeit befände sich die Entwicklung in einer experimentellen Phase, die mit den klassischen Computerwissenschaften während den 1960er- bis in die frühen 1970er-Jahre vergleichbar sei. Jetzt müsse man zunächst neue Algorithmen entwickeln und ausprobieren, wofür man die neuen Computer überhaupt einsetzen kann.

Quantencomputer werden auch von strategischen Forschungseinrichtungen wie der DARPA und US-Verteidigungsstrategen ernst genommen. Jüngste Veröffentlichungen der DARPA legen nahe, dass die amerikanische Quantenforschung das reine Forschungsterritorium langsam verlässt. Sie prüft konkrete Pläne für praktische Anwendungen. Ein Indiz dafür, dass sich weitere Durchbrüche ankündigen. 

Es ist auch ein Wettbewerb mit China. „Es ist schwer zu wissen, wo China steht. Wir sehen nur, was sie veröffentlichen. Wir sollten uns aber so schnell bewegen, wie wir können,“ meint Chow. IBM gilt momentan als Amerikas Quanten-Hoffnung – noch vor Google –  und sieht sich selbst klar als Leader. 

Chow sagt, 2029 werde ein Meilenstein: Bis dahin will der Technologiekonzern fehlertolerante Quantencomputer bauen. Die Ingenieure können bis dahin zwischen dem Tüfteln an Quantencomputern, in den meist fensterlosen Büros, in den Pausen Schallplatten in einer Sitzecke hören.

Quanten in den Alpen? 

IBM ist im Rennen um die Quantenherrschaft nicht allein. Ein Mitbewerber kommt etwa aus Tirol: Das AQT in Innsbruck setzt, anders als IBM, nicht auf supraleitende Schaltkreise, sondern auf sogenannte Ionenfallen. Das ist eine andere Technologie, die auch bei Raumtemperatur funktioniert. Die Ionen werden in einem Vakuum mit Laser und elektrischen Feldern gefangen.

Hat man in New York davon gehört? „Ich kenne Tommy (AQT-Chef Thomas Monz, a.d.R.) sehr gut und habe mit ihm bei vielen Forschungsprojekten zusammengearbeitet“, meint Chow. „Meine allgemeine Sicht zu Ionenfallen ist aber, dass sie viel langsamer sind als supraleitende Qubits“, sagt er. Er erwähnt wieder das Protein-Beispiel: „Auf unserem Gerät hat das rund 70 QPU-Stunden gedauert, während das bei einem Ionenfallen-Gerät Monate wären“, meint der IBM-Quantenchef.

Ist das Quantenrennen also zugunsten der amerikanischen Supraleiter entschieden? Am Telefon frage ich am nächsten Tag „Tommy“ aus Innsbruck nach seiner Meinung dazu: „Supraleiter sind schneller, aber die Frage sollte sein: Wie richtig ist das Ergebnis?“, sagt der österreichische Quantenunternehmer. „Es gibt ein Maß, ob man einen großen Speicherplatz so manipulieren kann, dass auch das richtige Ergebnis herauskommt. Es gibt dazu eine von IBM entwickelte Metrik, bei der wir IBM schlagen.“ Außerdem sei die österreichische Technologie kostengünstiger. Das globale Rennen um die beste Technologie sei noch nicht entschieden.

Die Stimmung ist bei europäischen Quantenunternehmen derzeit gedämpft, wegen Einsparungen und veränderter Rahmenbedingungen. An der US-Ostküste spürt man hingegen die Aufbruchsstimmung deutlich.

„Morgendämmerung bei Quanten-Computing“ 

„Es ist Morgendämmerung bei Quanten-Computing – ähnlich wie im Silicon Valley in den 1950er-Jahren“, sagt Andrea Goldsmith, Präsidentin der Stony Brook University am Tag nach der Führung durch das IBM-Labor. Sie sitzt auf einem Podium bei einer Diskussion der NY Tech Week und spricht zu Journalisten, Studierenden und Start-up-Gründern. Hinter ihr zeichnet sich die gigantische Skyline von Manhattan ab. 

Auch Juan de Pablo, Vizedekan der New York University, ist guter Dinge. Freudig blickt er der Entwicklung neuer Algorithmen für Quantencomputer und neuer hybrider Supercomputer entgegen, die an seiner weltberühmten Courant Institute School of Mathematics bereits im Gange seien. 

An der Ostküste soll also ein „Quantum-Valley“ entstehen. Die Segel sind gesetzt, selbst wenn es in der experimentellen Disziplin weiterhin wenig Gewissheit gibt. Aber man segelt jetzt drauflos, die Investoren und die Politik sind mit an Bord und bereit zu investieren.

Disclaimer: Die Reisekosten wurden von IBM übernommen.