Aufholjagd im Quanten-Computing

Handelsblatt, 16.07.2021

Nach langem Zögern starten Konzerne wie Infineon, SAP und Bosch erste Projekte mit den Superrechnern.

Oft sind Quantencomputer umweht vom Nebel der Zukunft. Viele können sich nicht viel darunter vorstellen, außer dass es „Supercomputer“ sind, wie sie oft auch beschrieben werden. Früher lastete ihnen fast schon etwas von Science-Fiction an.

Doch je sichtbarerer ihre tatsächliche Existenz und ihre Fähigkeiten werden, desto greifbarer und realer wird auch die mögliche Anwendung. Klar ist: Sie können Aufgaben lösen, für die herkömmliche Rechner Jahrhunderte benötigen. Die Technologie ist aber hochkomplex. Experten rechnen daher erst für Ende des Jahrzehnts mit fehlerfrei funktionierenden Maschinen.

Also zunächst die schlechte Nachricht: Diese noch unklare Entwicklung führt nach jüngsten Zahlen offenbar zu einer Zurückhaltung seitens der deutschen Industrie, sich mit Quantencomputern zu beschäftigen, obwohl das Thema international stark an Aufmerksamkeit gewinnt.

Weltweit haben Investoren seit Jahresbeginn rund 1,5 Milliarden Dollar in Quanten-Start-ups investiert. Das ist doppelt so viel wie im gesamten Vorjahr, hat die Beratungsgesellschaft McKinsey ermittelt. Der allergrößte Teil der Summe ist allerdings in Firmen in den USA und Kanada geflossen.

Das hat seinen Grund: 80 Prozent des Geldes sammelten Hardwareentwickler ein. In Deutschland aber existieren kaum Start-ups, die sich darauf spezialisiert haben. Und Großunternehmen scheuen bisher davor zurück, Quantencomputer zu entwickeln.

Damit setzt sich ein für Deutschland und Europa beängstigender Trend fort. So wurden McKinsey zufolge in den USA von 2001 bis 2021 knapp 900 Millionen Dollar in Unternehmen aus dem Quantenbereich investiert. In Europa war es nur knapp ein Viertel davon.

Insgesamt forschen und arbeiten mittlerweile weltweit 217 Unternehmen auf dem Gebiet der Quantentechnologien. „Wir werden immer mehr Akteure sehen, die von der vorwettbewerblichen Erkundung des Quantencomputings zur wettbewerbsorientierten Forschung übergehen“, sagt Niko Mohr, Partner bei McKinsey.

Also nun die gute Nachricht: Auch die ersten großen deutschen Konzerne wollen sich nicht abhängen lassen und nehmen die Zukunftstechnologie jetzt stärker ins Visier. Zehn große Unternehmen haben sich gerade erst zusammengeschlossen, um „nutzbare industrielle Anwendungen“ für Quantencomputer zu entwickeln. Darunter unter anderem BMW, VW oder Merck. Dafür haben sie das „Quantum Technology and Application Consortium“, kurz Qutac, gegründet.

Was aber nehmen die deutschen Konzerne genau in Angriff bei Qutac? Welche Ziele verfolgen sie, und wann werden Ergebnisse vorliegen? Das Handelsblatt hat sich bei ausgewählten Qutac-Teilnehmern umgeschaut.

Infineon: Lösung für das Rucksackproblem Infineon hat sich unter anderem die Produktionsplanung als Projekt für Qutac ausgesucht – denn die ist kompliziert in Deutschlands größtem Chipkonzern. „Jeden Tag berechnen wir den Status von einer Million Auftragselementen“, sagt Hans Ehm. Der Manager ist für Innovationen in der Lieferkette verantwortlich.

Als Auftragselement bezeichnet der Konzern den Teil eines Auftrags, der einen Zuteiltermin besitzt. Ehm: „Das ist so umfangreich, dass wir das nur in mehreren Stufen schaffen. Ein Quantencomputer könnte das auf einmal machen, das wäre eine wesentliche Erleichterung.“

Es sind bis zu 1000 einzelne Schritte notwendig, um einen Chip herzustellen. Einer folgt auf den anderen, sie lassen sich nicht parallel abwickeln. Dabei umrunden die elektronischen Bauelemente nicht selten mehrmals die Erde, bis sie ausgeliefert werden.

Einmal am Tag überprüft Infineon mit Hochleistungscomputern, ob alle zugesagten Termine eingehalten werden. Ganz akkurat sei dieses System aber nicht, sagt Sebastian Luber, der oberste Quantencomputer-Spezialist von Infineon. Mit den neuartigen Rechnern, so hoffen sie bei Infineon, könnten unter anderem die Lieferzeiträume besser kalkuliert werden.

Der theoretische Hintergrund: Es handelt sich dabei um ein sogenanntes Rucksackproblem. Dabei gilt es, aus einer Menge an Objekten mit einem gewissen Gewicht und einem gewissen Nutzen diejenigen herauszusuchen, um den Rucksack optimal zu füllen. Bei Infineon bedeutet das konkret: Die Werke können bei niedrigeren Kosten besser ausgelastet werden, was letztlich auch die Kunden zufriedener macht.

Schnelle Ergebnisse sind allerdings nicht zu erwarten. Infineon rechnet mit fünf bis zehn Jahren, um eine taugliche Lösung für Quantencomputer zu finden. Luber: „Derartige Zeiträume sind für uns normal. In der Technologieentwicklung sind sechs, sieben Jahre nicht ungewöhnlich.“

Im zweiten Projekt bei Qutac geht es um Sensoren in Altglascontainern. Infineon stellt derartige Bauteile her. Sie erkennen, wann die Behälter voll sind und geleert werden sollten. Die Münchener wollen aber nicht nur die Bauteile, sondern auch gleichzeitig Software für eine optimale Routenwahl der Lkw anbieten.

Das hört sich einfach an, eine solche Software zu programmieren, ist aber diffizil. „Wir sehen da großes Potenzial, stehen aber noch ganz am Anfang“, sagt Manager Ehm. Letztlich geht es darum, das altbekannte Problem eines Handlungsreisenden zu lösen, also die optimale Rundreise zu berechnen.

Gleichwohl, Infineon will durchaus zügig vorankommen: „Wir wollen dieses Jahr noch deutliche Fortschritte erzielen“, sagt Luber.

SAP: Immer komplexere Probleme der Kunden Der Softwarekonzern SAP widmet sich ähnlichen Fragestellungen wie Infineon im Rahmen von Qutac. Fall eins: Um Lastwagen in der Logistik optimal auszunutzen, müssen Paletten so gebaut sein, dass die Ladung ausgeglichen ist und den gesamten Raum ausschöpft. Ein Quantencomputer könnte die günstigste Konstellation herausfinden, welche Ware auf welcher Palette an welcher Position platziert werden müsste, um die Gesamtauslastung eines Lkw zu erhöhen.

Der zweite Fall bei SAP ist die Planung der Lieferkette. Das hat seinen Grund: „SAP-Kunden möchten Probleme lösen, die immer komplexer werden, zum Beispiel die Optimierung von Logistikrouten, die Analyse enormer Datensätze oder die Beschleunigung und Verbesserung maschinellen Lernens“, teilt der Konzern mit. „Gleichzeitig erwarten unsere Kunden die Vertraulichkeit, Integrität und Verfügbarkeit ihrer geschäftskritischen Daten und Prozesse zu jeder Zeit.“ Quantencomputer könnten das eines Tages leisten.

Munich Re: Der Exot bei Qutac Als einziges Finanzunternehmen gehört die Munich Re der zehnköpfigen Runde an. Für Fabian Winter, als Chief Data Officer der Verantwortliche für das Projekt, gibt es drei gute Gründe mitzumachen. Zum einen sei die Zusammenarbeit effizient. „Bisher tauschten sich die Unternehmen unterschiedlicher Branchen einzeln mit Universitäten und Forschungseinrichtungen aus“, so Winter.

Darüber hinaus helfe der Verbund, in eigenen Fragestellungen wie Verschlüsselung für den Cyberschutz oder Optimierung im Transportbereich voranzukommen und von den Anwendungsfällen anderer zu lernen. Zudem könne die Munich Re in der Gruppe als Risikoexperte von Interesse sein, da beispielsweise Fehlerkorrekturen in einem Quantensystem zu diversen Risiken führen kann. „Die finanzielle Absicherung der Performance von Algorithmen in der Künstlichen Intelligenz gibt es bereits mit unserem Programm AIsure“, so Winter.

Die Munich Re hat hohe Erwartungen an das Projekt. Das Unternehmen hofft, die Grenzen der Versicherbarkeit in einigen Jahren deutlich zu erweitern. Durch die Erfahrung industrieller Produktionsabläufe ließe sich das Risiko von Betriebsunterbrechungen besser einschätzen, ebenso der Lebenszyklus von Materialen aus der chemischen Industrie.

„Bei unseren Use Cases im Quantencomputer-Konsortium könnte es unter anderem darum gehen, die Langlebigkeit von Batterien zu simulieren“, so Fabian Winter. Wichtig für Munich Re bleibt jedoch der Ansatz des Projekts. „Wir sind immer Anwender, nie in der Entwicklung.“

Bereits in den nächsten Wochen starten die Arbeitsgruppen, in 18 bis 24 Monaten soll dann eine erste Bilanz gezogen werden, wie das Projekt im globalen Vergleich dasteht.

Bosch: Wenn der Chef Quantenphysiker ist Nicht jeder Großkonzern hat einen Chef, der in Quantenphysik promoviert hat. Bei Bosch aber ist das der Fall. Volkmar Denner hat sein Unternehmen schon zu der Zeit für das Thema sensibilisiert, als er noch nicht CEO, sondern nur Entwicklungschef war. Also vor mehr als zehn Jahren. Der 64-Jährige ist von der Materie so fasziniert, dass er Ende des Jahres aufhört, um sich wieder der Quantentechnologie voll und ganz zu widmen.

Denner hat dafür gesorgt, dass sich Bosch mit zwei Projekten an Qutac beteiligt. Beim ersten geht es um die Qualitätskontrolle von Software, beim zweiten um die Maße von Produkten.

Bei sicherheitskritischer Software – beispielsweise für Airbag-Steuergeräte – ist es wichtig, dass die Airbags nicht während der freien Fahrt auf der Autobahn falsch auslösen. Diese Sicherheitsanforderungen werden mit den Fahrerassistenzsystemen fürs autonome Fahren noch komplexer.

„Da muss sichergestellt werden, dass die Software kein Fehlverhalten auslöst“, sagt Boschs Quantentechnologie-Chefforscher Thomas Strohm. „Das ist rechentechnisch extrem aufwendig, und da versuchen wir, mit Quantencomputern ein Stück weiterzukommen, sprich schneller zu werden.“

Die Optimierung bei der Auslegung von Produkten ist ein weiteres Beispiel. Konkret gibt es etwa beim Entwurf eines Elektromotors viele Freiheitsgrade. „Man kann die Achse dicker oder dünner machen, andere Materialien verwenden, mehr oder weniger Wicklungen durchführen und so weiter. Diese Freiheitsgrade will man so wählen, dass der Elektromotor etwa ressourcenschonend, kostengünstig, aber trotzdem sehr zuverlässig und haltbar ist. „Solche Berechnungen sind ebenfalls extrem aufwendig“, erläutert Strohm. „Mit Quantencomputing kann man sehr viel Zeit sparen.“

Bis das funktioniert, dürften aber noch zehn Jahre vergehen. Ein nicht zu unterschätzender Engpass bei den Initiativen der Industrie sind die Quantentechnologie-Experten. Bosch hat seine kleine Truppe über die letzten zehn Jahre aufgebaut. „Der Markt an Experten wird jetzt leer gefegt“, ist Strom überzeugt.

900 Millionen Dollar wurden in den USA von 2001 bis 2021 in Unternehmen aus dem Quantenbereich investiert. In Europa war es nur knapp ein Viertel davon. Quelle: McKinsey Bei unseren Use Cases im Quantencomputer-Konsortium könnte es unter anderem darum gehen, die Langlebigkeit von Batterien zu simulieren. Fabian Winter Chief Data Officer von Munich Re Insight Innovation Innovation ist Wirtschaft der Zukunft. Daher lohnt sich ein genauer Blick auf neue Produkte, Technologien und Verfahren. In der Serie „Insight Innovation“ will das Handelsblatt im Detail analysieren, wie Innovationen in Unternehmen funktionieren, welche Technologietrends auf uns zukommen und wie diese Branchen, Geschäftsmodelle und ganze Volkswirtschaften verändern.

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