Quantencomputing Vom Forschungslabor in die industrielle Anwendung

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Quantencomputing galt lange als Zukunftsvision, doch erste Systeme sind bereits im Einsatz. Die Technologie verspricht Fortschritte in Simulation, Optimierung und künstliche Intelligenz. Neben den Vorteilen dürfen aber auch Sicherheitsrisiken und die Integration in bestehende IT-Infrastrukturen nicht vernachlässigt werden.

Lange galt das Quantencomputing als reine Zukunftsvision, doch mittlerweile nimmt die Technologie Fahrt auf. Erste Systeme sind bereits im Einsatz, und bis 2030 werden serienreife, industriell nutzbare Quantencomputer erwartet. Deutschland hat sich in diesem Technologiebereich mit namhaften Unternehmen gut positioniert. Bereits heute steht ein industrietauglicher Quantencomputer-Demonstrator in Hamburg zur Verfügung [1], und in München betreibt IQM ein Quantenrechenzentrum mit mehreren Systemen [2].

Quantencomputing als Cloud-Service

Ein eigener Quantencomputer wird für die meisten Unternehmen nicht notwendig sein. Vielmehr zeichnet sich ein Nutzungsmodell ähnlich zur künstlichen Intelligenz ab: Unternehmen können Rechenzeit in der Cloud buchen. Aktuell liegt der Stundensatz bei etwa 1.800 Euro. Der praktische Nutzen von Quantencomputern ist also bereits heute – via Zugang über die „Q-Cloud“ - in Reichweite. Die amerikanischen, im Cloudgeschäft führenden Konzerne Amazon, Google, IBM und Microsoft investieren zusammengerechnet zweistellige Milliardenbeträge und haben schon eine signifikante Anzahl von Systemen in der Erprobung. Sobald diese Technologie dann in der Breite verfügbar sein wird, wird sich ihre Nutzung rasant ausbreiten, allerdings auch bei Cyberkriminellen. Darauf sollten sich Unternehmen schon heute vorbereiten.

Es ist auch nicht zu erwarten, dass jedes Unternehmen einen eigenen Quantencomputer anschaffen muss. Wahrscheinlich wird es sehr ähnliche Nutzungsmodelle geben wie bei der Nutzung von KI. Matthias Reidans, Senior Project Manager bei Rosenberger OSI meint dazu: „Mittelständische Unternehmen können Ressourcen in der Cloud bei großen Hostern buchen und so komplexe Berechnungen auslagern, wie es bereits bei IQM in München der Fall sein kann, sofern die Programmierung der Aufgaben mittels einer Quantum-adaptierten Version vorbereitet wurde. Hinzu kommt, dass auch Quantencomputer in der Entwicklung sind, die teilweise sogar bei Raumtemperatur arbeiten, zum Beispiel mit der Technologie der Diamond Vacancies (Quantum Brillance, AQT). Damit wird der Einsatz noch einfacher, denn die Hürden für den Betrieb von Quantencomputern können niedriger sein als oft erwartet. Bei diesem Prinzip werden Fehlstellen in einem Diamant-Gitter benutzt, um dort Elemente zu implementieren, die dann zu Qubits mutieren“.

Aber auch Prozessorchips auf Siliziumbasis können mit Qubits ausgestattet werden, so dass mobile und einfach zu installierende Quantencomputer nicht undenkbar sind und Konzepte und sogar Beauftragungen dafür vorliegen [3] [4].

High Performance Computing und Quantencomputer

Während mittelständische Unternehmen also in Zukunft Ressourcen von Quantencomputern bei Hostern buchen können, werden größere Konzerne vermutlich eigene Geräte betreiben. Schon heute setzen Unternehmen wie BASF auf High-Performance-Computing Instanzen, an die Quantencomputer angebunden werden sollen. Die BASF betreibt den größten HPC-Cluster der chemischen Industrie in Europa. Das zeigt, wie wichtig es ist, Quantencomputer in bestehende, moderne Rechenzentren integrieren zu können.

Das ist nur möglich, wenn die Infrastruktur des Rechenzentrums dazu in der Lage ist. In Zukunft werden Unternehmen Quantentechnologie an verschiedenen Stellen einsetzen, nicht nur im Rechenzentrum. Für Industrieanlagen sind beispielsweise Quantensensoren relevant. Sie sind viel genauer und schneller als herkömmliche Sensoren. Damit lassen sich Echtzeitüberwachung und -steuerung sehr viel effektiver umsetzen als bisher. Die Quantentechnologie kann die Technik in vielen Bereichen auf ein neues Niveau heben, nicht nur bei der Berechnung von Rechenaufgaben. Diese bahnbrechende Sensorik misst und bewertet direkt oder indirekt sowohl Gravitations- als auch Kernkraft- und elektromagnetische Eigenschaften.

Quantencomputer und das maschinelle Lernen

Quantencomputer und künstliche Intelligenz können durch ihre jeweiligen Stärken in vielfacher Beziehung voneinander profitieren. Maschinelles Lernen, das auf großen Datenmengen und komplexen Algorithmen basiert, kann durch Quantensystem-geeignete Algorithmen erheblich beschleunigt werden, insbesondere bei der Optimierung und dem Training von Modellen. KI wiederum kann genutzt werden, um die Entwicklung und Implementierung von Quantenalgorithmen zu verbessern, indem sie Muster erkennt und optimierte Lösungen vorschlägt. So wird die Kombination von Quantencomputing und KI in der Kryptographie, Materialwissenschaft oder der Industrie große Fortschritte ermöglichen.

Erneuerbare Energien und Stromnetze profitieren von Quantencomputern

Erneuerbare Energien und Energieversorger können durch den Einsatz von Quantencomputern erheblich profitieren, insbesondere bei der Optimierung komplexer Systeme und der Verbesserung von Vorhersagemodellen. Quantencomputer sind in der Lage, große Mengen an Echtzeitdaten, wie Wetterbedingungen, Energiebedarf und Netzbelastung, parallel, in Gleichzeitigkeit zu verarbeiten und so präzisere Vorhersagen für die Energieproduktion aus Wind, Solar und anderen erneuerbaren Quellen zu treffen.

Dies ermöglicht eine effizientere Integration erneuerbarer Energien in bestehende Stromnetze und minimiert Schwankungen, die durch die unvorhersehbare Natur dieser Energiequellen entstehen. Zudem können Quantenalgorithmen dabei helfen, die Verteilung und Speicherung von Energie zu optimieren, indem sie ideale Szenarien für den Einsatz von Batteriespeichern oder die Verteilung überschüssiger Energie ermitteln.

Netzoptimierung auch in Stromnetzen

Quantencomputer benötigen nicht unbedingt selbst Unmengen an Energie, sondern können sogar helfen, Energie zu sparen. Für KI-Berechnungen sind Quantencomputer herkömmlichen Computern mit heutigen Spitzenprozessoren in Teilbereichen deutlich überlegen. Es ist zu prüfen, ob mit Quantencomputern beispielsweise ganze Modulbänke in Rechenzentren eingespart werden können. Dafür müssen die Grundlagen, wie die erfolgreiche Konfiguration von Hybridclustern aus QC & HPC, jetzt geschaffen werden.

Neben der Optimierung von Stromnetzen, um drohende Blackouts zu vermeiden, können Quantencomputer Echtzeitmodellierungen durchführen und so Lastschwankungen, Ausfälle oder Störungen vorhersagen und verhindern. In Verbindung mit KI ergeben sich hier zahlreiche Möglichkeiten, die mit heutigen Computern nicht realisierbar sind. Quantencomputer können Steuerungssysteme auf einem ganz anderen Leistungsniveau als bisher automatisieren und koordinieren. Durch verbesserte Stromflüsse, auch im Bereich der erneuerbaren Energien, können Quantencomputer in Zukunft Stromnetze folglich stabiler halten. Auch die großen Energieversorger warten daher dringend auf die dafür ausreichende Quantencompute-Power-Kapazität und haben dafür eigene Programme und Abteilungen geschaffen.

Große Chance, aber auch eine Gefahr

Zu den Chancen von Quantencomputern kommen allerdings auch Gefahren, die in den nächsten Jahren entstehen und die bereits heute relevant sind: Der heutige Standard bei den Verschlüsselungstechnologien für Datenverkehr und -speicherung kann mit Quantencomputern in kurzer Zeit kompromittiert werden. Wenn Cyberkriminelle die Rechenleistung von Quantencomputern in Verbindung mit KI nutzen, entsteht ein enormes Risikopotenzial für Unternehmen und Behörden. Warum ist das so? Im Gegensatz zu klassischen Computern, die Informationen in Bits als 0 oder 1 speichern, arbeiten Quantencomputer mit sogenannten Qubits, die sich in einer Überlagerung mehrerer Zustände befinden können.

Diese Überlagerung ermöglicht es, viele Rechenoperationen gleichzeitig auszuführen, was die Effizienz bei bestimmten komplexen Problemen erheblich steigert. Dieses Prinzip kann für Brute-Force Attacken auf verschlüsselte Datenpakete ebenso verwendet werden. Darüber hinaus nutzen Quantencomputer dafür auch Verschränkungen, bei der Qubits in speziellen Verfahren unabhängig von ihrer räumlichen Position miteinander korrelieren. Diese Effekte ermöglichen es Quantencomputern also, exponentiell viele Zustände parallel zu verarbeiten und so in kurzer Zeit Ergebnisse zu erzeugen, die mit rein digital-binär aufgebauten Computern nicht realisierbar sind.

Unternehmen sind daher gut beraten, möglichst bald auf die sogenannte Post-Quantum-Verschlüsselung zu setzen. Diese nutzt spezielle Technologien, die auch von Quantencomputern nicht geknackt werden können. Das US-amerikanische National Institute of Standards and Technology (NIST) treibt die Standardisierung solcher Algorithmen voran und hat bereits mehrere Kandidaten ausgewählt, die den hohen Anforderungen an Sicherheit und Effizienz genügen sollen [5].

Die Ruhr-Universität Bochum ist an der Forschung beteiligt und gehört zu den weltweit führenden Instituten auf diesem Gebiet. Es gibt also bereits Standards für die Post-Quantum-Verschlüsselung, die investitionssicher sind. Unternehmen sollten daher so schnell wie geboten handeln.

Ein weiteres Problem: „Harvest now, decrypt later“. Cyberkriminelle speichern verschlüsselte Daten, um sie später mit Quantencomputern zu entschlüsseln. Unternehmen müssen ihre IT-Sicherheitsstrategien anpassen. Auch das Militär forscht an quantensicheren Netzwerken. Hier geht es um Redundanz und hochsichere Hard- und Software. An vielen Orten wird bereits an Szenarien mit Quantencomputern und deren sicherem Einsatz in Netzwerken gearbeitet. Zusammenfassend sind es also nicht nur die Gefahren, sondern auch die Chancen, die diese neue Computergeneration für Unternehmen und Behörden bietet.

Quantencomputer erfordern optimierte Rechenzentrumsinfrastrukturen

Unternehmen können ihre Aufgaben in Zukunft von Quantencomputern erledigen lassen und so Potenziale dieser Hochleistungsmaschinen entdecken. Ein Anwendungsfeld sind Wetter- und Klimaberechnungen in Verbindung mit KI. So können Unwetter zuverlässiger vorhergesagt werden. Aber nicht nur Endkunden profitieren. Eine deutsche Fluggesellschaft will die Gate-Zuordnung optimieren, um Passagier-Wartezeiten und Abfertigung zu beschleunigen. Das soll insbesondere an Drehkreuzen erreicht werden [6].

Die meisten Quantencomputer werden in großen Rechenzentren betrieben, wobei Verkabelung, Raumqualität, Erschütterungs- und EM-Schutz sowie Glasfasern eine wichtige Rolle spielen. Für eine erfolgreiche Integration sind der Aufbau einer Dateninfrastruktur, das Design von Rechenzentren und der Systemverbund eines Quantencomputersystems wichtig. Unternehmen sollten bereits heute planen, wie sie mit dem Thema umgehen wollen. Reidans: „In Zukunft wird es eine Vielzahl von Quantencomputer-Installationen geben. Die Rahmenbedingungen sind wesentliche Faktoren für den Betrieb und müssen abgewogen werden. Daher ist es sinnvoll, sie im eigenen Rechenzentrum zu berücksichtigen. Bei einem Ausbau sollte dieser einem möglichen Einsatz von Quantencomputern nicht entgegenstehen.“

Paradigmenwechsel zum Quantencomputer

Unternehmen, die sich auf die Infrastruktur von Rechenzentren spezialisiert haben und sich bereits mit Quantencomputern beschäftigen, helfen dabei. Der Betrieb von Quantencomputern ist mit dem von Großrechnern, die seit den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts eine etablierte Technologie darstellen, vergleichbar. Die Anforderungen sind ähnlich, es gibt jedoch einige Unterschiede, insbesondere bei Tieftemperatur- und Hochvakuumsystemen. Großrechnererfahrung bietet Vorteile für den Betrieb von Quantencomputern. Unternehmen sollten dies nutzen. Engpässe werden in Zukunft im qualifizierten Personal liegen. Der Beginn des Zeitalters der Quantencomputer erfordert Investitionen in personelle Ressourcen und Bewusstseinsbildung. Der „Paradigmenwechsel zum Quantencomputer“ hat begonnen [7]. Die folgenreichste Erfindung der Menschheit seit dem Rad und dem Feuer hat Meilensteine erreicht. Die Reise ins Quantenzeitalter hat begonnen. (heh)

Referenzen

[1] NXP, eleQtron and ParityQC Reveal their First Quantum Computing Demonstrator for the DLR Quantum Computing Initiative. Abgerufen am 19.2.2025

[2] IQM eröffnet Quanten-Rechenzentrum in München. Süddeutsche Zeitung. Abgerufen am 19.2.2025.

[3] Intel Takes Next Step Toward Building Scalable Silicon-Based Quantum Processors. Intel. Abgerufen am 19.2.2025.

[4] Quantum Brilliance, ParityQC Win German Contract to Build a Mobile Quantum Computer by 2027. Abgerufen am 19.2.2025.

[5] Post-Quanten-Kryptografie. BSI. Abgerufen am 19.2.2025.

[6] Per Quantencomputer soll eines der größten Flughafen-Probleme gelöst werden. Abgerufen am 19.2.2025.

[7] Quantum 2025.org

Chance und Gefahr

Wie 5G, KI und Quantencomputing die Welt von morgen gestalten

* Thomas Joos ist IT-Autor aus Bad Wimpfen und Matthias Reidans ist Senior Project Manager bei Rosenberger OSI.

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