Quantencomputer für die Prozessanalyse


Eine Nachricht aus Fernost lässt aufhorchen: China hat den Quantencomputer. Warum wetteifert die Welt um diese neue Generation von Supercomputern? Und werden Quantencomputer schon bald die komplexesten Rätsel der Wissenschaft lösen? Klar ist: Die Entwicklung ist für die chemische Forschung von Bedeutung.

Seit vielen Jahren spricht die Wissenschaft darüber, die Gesetze der Quantenmechanik für den Bau eines neuartigen Supercomputers zu nutzen. Inzwischen ist ein wahrer Wettstreit darum entstanden, wer die Nase bei der Entwicklung des sogenannten Quantencomputers vorn hat. Längst beteiligen sich nicht mehr nur Unternehmen daran, sondern es scheint von nationaler Bedeutung, wer den Wettstreit gewinnt. Denn bei dieser Erfindung geht es um mehr als eine neue PC-Generation: In der neuen Technologie steckt enormes wissenschaftliches und wirtschaftliches Potenzial. Der Quantencomputer soll zu Höchstleistungen fähig sein, die die Möglichkeiten der heutigen, digitalen Datenverarbeitungstechnologie millionenfach übersteigt. Aufgrund dieser enormen Leistungsfähigkeit erwarten verschiedene wissenschaftliche Disziplinen neue Erkenntnisse über noch ungelöste Probleme und Aufgabenstellungen. Die chemische Forschung beispielsweise erhofft sich vom Quantencomputer die nötige Rechenleistung für die Analyse und Simulation von chemischen Reaktionen, die aufgrund ihrer Komplexität bisher noch weitgehend unerforscht sind. Gerade bei der Entwicklung von neuen Katalysatoren könnte diese Technologie besonders hilfreich sein.

In der Ionenfalle mit sieben Ionen der Trapped-Ion Quantum Information Group von Prof. Dr. Jonathan Home am Institut für Quantenelektronik der ETH Zürich finden sich verschiedene Ionen Spezies.

Analyse komplexer Systeme
In Zeiten von Go spielenden Supercomputern und neuronalen Netzen scheint es kaum möglich, dass es Anwendungen gibt, für die die besten heute existierenden Computer nicht ausreichen. Doch gerade in der chemischen Forschung gibt es so hochkomplexe Reaktionen und Systeme, dass diese mit klassischer Rechnertechnologie nicht mehr analysiert werden können. Ein Beispiel hierfür ist die Nitrogenase-Reaktion. Bei dieser Reaktion wird N2 aus der Atmosphäre aufgespalten und in Stickstoffverbindungen mit einzelnen Stickstoffatomen umgewandelt. Erst in dieser Form kann die Stickstoffverbindung von Pflanzen aufgenommen werden. Da Stickstoff eine Grundvoraussetzung für das Wachstum von Nutzpflanzen ist, wurden die ersten Versuche für eine technische Realisierung dieser Reaktion auch mit «Brot aus Luft» betitelt. Inzwischen ist eine technische Lösung zwar im Haber-Bosch-Verfahren realisiert, doch je besser der Prozess bekannt ist, desto energieeffizienter kann er gestaltet werden. Doch bisher war es nicht möglich, diese Reaktion vollständig zu analysieren (Quelle 1). «Mit bestehenden Methoden und klassischen Supercomputern kann man Moleküle bis höchstens rund 50 stark wechselwirkenden Elektronen berechnen», erklärte Markus Reiher, Professor für Theoretische Chemie, unlängst in einer Veröffentlichung über seine Forschung der ETH Zürich. Beim aktiven Zentrum der Nitrogenase, so heisst es in dem Beitrag, müsse man jedoch deutlich mehr solcher Elektronen berücksichtigen. Weil sich auf einem klassischen Computer der Aufwand für jedes zusätzliche Elektron verdoppelt, bräuchte es dafür unrealistisch hohe Rechenkapazitäten (Quelle 2).

Auch in anderen Bereichen hat die Wissenschaft und Wirtschaft grosse Erwartungen an den Quantencomputer. Ganz weit oben steht dabei das Lösen von Problemen der Datenverschlüsselung und Entschlüsselung sowie die Mustererkennung in grossen Datenmengen. Auch denkbar wäre es, einen einzigen Quantencomputer die gesamte weltweite (autonome) Mobilität steuern zu lassen, um zukünftig Unfälle komplett auszuschliessen. Brisant wird die Kombination von Quantencomputern mit künstlicher Intelligenz, die ganz neue Dimensionen eröffnet.

Mikroorganismen spalten mit einem Enzym namens Nitrogenase in der Atmosphäre vorkommenden N2 Moleküle und stellen daraus chemische Verbindungen mit nur einem Stickstoff-Atom her.

Leistungsstark und Geschwindigkeit
Zwei Prinzipien der Quantenmechanik verdanken Quantencomputer ihre Leistungsfähigkeit. Das erste Prinzip ist das der Superposition. Im Gegensatz zu digitalen Computern arbeiten Quantencomputer mit Quantenbits, den sogenannten Qubits. Diese können nicht nur den Zustand 0 oder 1 haben, sondern zusätzlich 0 und 1 zugleich. Solange der Zustand eines Qubit nicht gemessen wird, befindet sich das subatomare Teilchen im Zustand der Überlagerung oder Superpositon. Wird es gemessen, so geht es wieder in einen reinen Zustand über. Dieses Prinzip führt je nach Anzahl Bit zu einer bis zu 100 millionenfach verbesserten Rechnungsleistung gegenüber klassischen digitalen Computern. Ein Nachteil der Qubits ist jedoch, dass Berechnungen nur funktionieren, solange die Qubits isoliert und geschützt vor unbeabsichtigter Messung sind. Vereinfacht kann man sich vorstellen, dass eine Aufgabenstellung in digitaler Form an einen Quantencomputer gesendet wird, dann wird das Problem in einem isolierten System, also sozusagen in einer geschlossenen Kiste «quantisch» gelöst und am Ende kommt ein Ergebnis in klassischer digitaler Form heraus. Das zweite Phänomen der Quantenmechanik, auf dem das Konzept des Quantencomputers beruht, ist die Verschränkung. Zwei verschränkte Qubits sind so miteinander verknüpft, dass eine Änderung des einen auch eine Änderung des anderen Quantenbits bewirkt.

Wie «baut» man Qubits?
Für die Umsetzung des Konzeptes eignen sich verschiedene physikalische Objekte als Quantenbits: Einzelne Photonen, Atome, Elektronen oder auch Schaltkreise in Nanoskalierung. Professor Jonathan Home von der ETH Zürich setzt auf Ionen. Um aus einfachen Ionen Qubits zu machen, verwendet Homes sogenannte Ionenfallen. Mit Hilfe eines Lasers können die Ionen bewegt, in den Superpositionszustand versetzt und verschränkt werden. Das Besondere an Homes Ansatz ist es, dass er Ionen verschiedener Spezies verwendet. Die Verwendung unterschiedlicher Spezies eröffnet für die Zukunft ein erhebliches Potenzial. «Für Ionen einer einzigen Spezies ist es schwierig, das Bit, das in einem Ion gespeichert ist, zu detektieren, ohne dass damit die Information im benachbarten Ion zerstört wird», erklärt Home. Das Licht, das für eine Spezies verwendet wird, beeinflusst Ionen einer anderen Spezies hingegen nicht. Fortlaufendes Auslesen, Zurücksetzen und Fortschreiten wird auf diese Weise fehlerfrei möglich (Quelle 3).

Eine Anwendung für künftige Quantencomputer ist die Berechnung des komplexen Reaktionsmechanismus des Nitrogenase Enzyms. Die Abbildung zeigt das aktive Zentrum des Enzyms und eine zentrale Berechnungsformel.

Die Anzahl der Quantenbits bestimmt schlussendlich die Leistungsfähigkeit des Quantencomputers. Bei den Ionenfallen experimentiert man derzeit mit bis zu 20 Ionen, IBM brachte kürzlich einen Testprozessor mit 17 Quantenbits heraus. «Das Problem bei der Erhöhung der Anzahl Qubits – und das betrifft alle Ansätze – ist, dass die Steuerungen nicht gut genug sind», so Home. «Die Fehler, die induziert werden, steigen mit der Anzahl Quantenbits. Es gibt Forschungsgruppen, die haben bis zu 100 Ionen in ihrer Ionenfalle. Doch für das Quantencomputing nutzen sie bisher nicht mehr als 5 bis 10.»

Und wie sieht so ein Quantencomputer nun aus?
Bis die Quantencomputer die Labore verlassen und kommerziell verfügbar sind, werden immer noch einige Jahre vergehen. Wie die Rechenkisten dann aussehen und mit wie vielen Qubits sie arbeiten werden, weiss noch niemand. Vermutlich werden sie aber zunächst Abmessungen haben, die sich nicht für dezentrale Intelligenz eignen. Denn wer hat schon ein freies Plätzchen in der Grösse eines Fussballfeldes bei sich in der Stube oder im Büro? Auch wenn noch vieles unklar ist, eines ist sicher: Es bleibt spannend.

Heike Henzmann



Community Führer Kunststoff-, Chemie- und Pharmaindustrie (KCH) 2018