Forscher im Simulationsmodus

Momentan setzen daher vor allem zwei Anwendergruppen Quantencomputer ein: Forschungseinrichtungen, die Quantenalgorithmen entwickeln und testen, sowie Universitäten, die Studenten in Programmiersprachen für die neue Rechnergeneration ausbilden.

Zur ersten Kategorie zählt das Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in Oak Ridge (US-Bundesstaat Tennessee). Bei der Entwicklung von Quantenalgorithmen und bei komplexen Simulationen greift das ORNL auf die Atos QLM zurück. Zudem kommt die Simulationsplattform beim Debuggen und Testen der Algorithmen zum Zuge. Dadurch sparen die Forscher Zeit und Geld. Erst nach Abschluss der Entwicklungsarbeiten und Tests führen die Fachleute des ORNL die Quantenalgorithmen auf einem Quantencomputer von IBM aus.

Ein weiteres Thema, mit dem sich das ORNL beschäftigt, sind Verschlüsselungstechniken, die Angriffen mit Quantenrechnern standhalten. Eine wichtige Rolle spielen dabei Verfahren zur Verteilung der Schlüssel (Quantum Key Distribu­tion, QKD). Solche Technologien sind notwendig, um künftig den sicheren Informationsaustausch zu gewährleisten. Denn mit Quantenrechnern lassen sich in absehbarer Zeit gängige asymmetrische Verschlüsselungsverfahren wie RSA (Random Sequential Adsorption) und ECC (Elliptic Curve Cryptography) brechen.

Zwar werden Quantenrechner, die heute gebräuchliche Verschlüsselungsverfahren aushebeln können, frühestens in zehn Jahren verfügbar sein, dennoch ist es notwendig, schnellstmöglich eine standardisierte Post-Quantum-Verschlüsselung zu entwickeln. Der Grund ist, dass solche Verfahren auch in Systemen implementiert werden müssen, die eine lange Einsatzdauer von zehn oder zwanzig Jahren haben. Dazu gehören Kraftwerke, Industrieanlagen, Maschinen und IoT-Komponenten (Internet of Things). Je früher solche Systeme mit einer zukunftssicheren Datenverschlüsselung ausgestattet werden, desto geringer fällt später der Aufwand für das Nachrüsten aus.

Wie schnell Quantencomputer die Praxis erobern und mit welcher Technologie sie das tun, ist so offen wie spannend. NISQ-Systeme könnten nach Einschätzung von Forschern dazu beitragen, Quantenrechner einem breiteren Kreis von Nutzern zugänglich zu machen. Ebenso wie Simulationsplattformen beschleunigen solche Quantenrechner ausserdem die Entwicklung von Quantenalgorithmen und entsprechenden Applikationen.

Gerade Appliances für das Simulieren helfen, schneller als bisher Algorithmen, Programmiertechniken und Entwicklungs-Tools für Quantenrechner hervorzubringen. Ohne sie ist auch die beste Hardware nichts wert. Mit Simulationsplattformen lässt sich die logische Grundlage dafür schaffen, dass Anwendungen für Big Data, Künstliche Intelligenz und IT-Sicherheit auf Quantencomputern laufen. Dennoch sollten pa­rallel dazu die Arbeiten an Quantensystemen mit Quantengittern forciert werden, die niedrige Fehlerraten aufweisen.