Wie kaum eine andere Technologie erlebt Quantencomputing derzeit ständige Forschungs- und Anwendungsfortschritte. Der Kampf um die Quanten-Vormacht ist längst entbrannt und zu einem globalen Wettrüsten mutiert. Europa hinkt den Branchenführern aus China und den USA hinsichtlich der Industrialisierung noch hinterher. Umso wichtiger sind gemeinsame europäische Wege, die Europa zu einem ernsthaften Player befördern. Sebastian Luber ist Senior Director im Bereich Technology & Innovation beim deutschen Unternehmen Infineon, das im Quantencomputing durch zahlreiche Innovationen eine zunehmend wichtige Rolle spielt.

Anlässlich der DIGICON 2020 haben Sie einen Vortrag gehalten, was schwarze Schwäne mit Quantencomputing zu tun haben. Erläutern Sie!

In meiner Arbeit bei Infineon beschäftige ich mich regelmäßig mit der Planung von Projekten und deren Absicherung durch ein adäquates Risiko- und Chancenmanagement. Trotzdem kommt es immer wieder vor, dass ungeplante Dinge mit großen Auswirkungen passieren. Das bezeichnen wir manchmal als „Schwarzer Schwan“-Ereignis, abgeleitet aus dem Buch „Black Swan“ von N. Taleb. Dort referiert der Autor über große Auswirkungen unwahrscheinlicher Geschehnisse auf den Weltverlauf. Sehr interessant finde ich dabei Überlegungen, wie man grundsätzlich damit umgehen kann. Neben der Wichtigkeit einer gewissen Grundrobustheit zum Abfedern der Auswirkungen bietet die Dynamik solcher Ereignisse auch oft große Chancen, wenn man schnell darauf reagieren kann. Quantencomputing, das ja auf einem vollkommen andersartigen Ansatz als klassische Rechner basiert, könnte nun auch zu disruptiven Entwicklungen mit entsprechenden Chancen und Risiken führen, auch wenn solche Zukunftsvorhersagen natürlich immer mit Vorsicht zu genießen sind.

Wie kann Quantencomputing in puncto Energieeffizienz behilflich sein?

Hier sehe ich mehrere Aspekte: Zum einen bei der Reduzierung des Energieverbrauchs von Computern selbst. Ein Quantencomputer kann bestimmte Aufgaben deutlich energieeffizienter lösen als ein klassischer Rechner, das wurde auch bereits im Experiment mehrfach nachgewiesen. So hat Google im Oktober 2019 in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht, dass sie mit einem Quantencomputer aus supraleitenden Schaltkreisen eine Rechnung durchführen konnten, die auf einem klassischen Rechner ein Vielfaches an Zeit und damit auch Energie gebraucht hätte. Allerdings funktioniert das bisher nur für rein akademische Fragestellungen. Bei hoffentlich erfolgreicher Weiterentwicklung ist aber davon auszugehen, dass auch praxisrelevante Probleme für Quantencomputer zugänglich werden. Einer der ersten adressierbaren Bereiche ist dabei wahrscheinlich die Chemie und deren Herstellungsprozesse wie z. B. das Haber-Bosch-Verfahren für die Herstellung von Stickstoffdünger. Allein hierfür wird weltweit eine riesige Menge an Energie verbraucht. Möglicherweise könnte eine bessere Simulation von chemischen Reaktionen mittels Quantencomputern hier zu Einsparungen führen.

An welcher Schaltstelle von Infineon arbeiten Sie und was hat Ihre Tätigkeit mit Quantencomputing zu tun?

Ich selbst bin in der Technologie & Innovationsabteilung der Automotive Divison beschäftigt, das ist der größte von insgesamt vier Infineon Geschäftsbereichen. In dieser Abteilung behandeln wir vor allem Fragestellungen, die übergreifend für die gesamte Automotive Division relevant sind. Das Thema Quantencomputing betrachte ich allerdings vor allem in meiner Rolle als Leiter einer sogenannten iCommunity zu Quantentechnologien der zweiten Generation. Eine iCommunity ist eine konzernweite Expertengruppe mit Mitgliedern unterschiedlicher Geschäftsbereiche. Nachdem Infineon keine zentrale Forschung hat, nutzen wir gerne solch eine Struktur für die Behandlung langfristiger Themen, wie es die Quantentechnologien und davon insbesondere das Quantencomputing sind.

Was ist das Potenzial eines Quantencomputers in Relation zum herkömmlichen Computer?

Riesig und beschränkt zugleich. Ein universeller Quantencomputer hat einerseits das Potenzial, bisher quasi unlösbare Aufgaben für uns zugänglich zu machen. Ein gern genommenes Beispiel ist das Faktorisieren großer Zahlen, auf dessen Basis viele herkömmliche Verschlüsselungsverfahren aufgebaut sind. Während hier klassische Computer nur sehr aufwendige Algorithmen nutzen können, gibt es mit dem Shor-Algorithmus für Quantencomputer ein sehr effizientes Verfahren, das in Kombination mit einem leistungsfähigen System viele gängige Verschlüsselungscodes in kürzester Zeit knacken könnte. Anderseits kann ein Quantencomputer seine Stärken bisher auch nur bei speziellen Problemstellungen ausspielen. Er ist daher eher als Ergänzung für klassische Computer zu sehen, der aber in bestimmten Bereichen disruptives Potenzial hat.

2017 hat Infineon die erste Post-Quantum-Kryptographie auf einem kontaktlosen Sicherheitschip entwickelt. Was ist das genau?

Die Post-Quantum-Kryptographie („Post Quantum Cryptogra- phy“, PQC) soll auch nach („post“) einer zukünftigen Verfügbarkeit leistungsfähiger Quantencomputer eine ausreichende Sicherheit bei der Datenverschlüsselung ermöglichen. Infineon hat dazu den New-Hope-Algorithmus realisiert. Hierbei handelt es sich um ein sogenanntes Schlüsselaustauschsystem. Es erlaubt zwei Parteien, ein Geheimnis bzw. einen Schlüssel auszuhandeln, auch wenn ein Angreifer die Kommunikation beider Parteien abhört.

Dieser ausgehandelte Schlüssel wird dann für die Absicherung der weiteren Kommunikation genutzt. Dies ist z. B. wichtig, wenn ein kontaktloser Sicherheitschip wie ein Reisepass oder eine EC-Karte mit einem Terminal kommuniziert. Angreifer sollen dabei nicht in der Lage sein, die Daten – z. B. mittels einer Antenne aus der Entfernung – mitzulesen oder zu verändern. Die Herausforderung auf kontaktlosen Sicherheitschips besteht darin, die neuen Verfahren mit wenig Speicher zu implementieren und sicherzustellen, dass diese auch mit kontaktloser Stromversorgung noch ausreichend leistungsfähig sind.

Was ist seitdem an neuen Technologien technisch passiert, was ist schon in unserem Alltag implementiert?

Seit 2017 hat es große Fortschritte in der Standardisierung und Verbesserung von Angriffen gegeben. Da die neuen Standards aber noch nicht finalisiert sind, ist PQC noch nicht im Alltag angekommen. Kryptographen sind in der Regel sehr konservativ und wollen sicherstellen, dass die Verfahren nach ihrer Einführung auch das erwartete Sicherheitslevel einhalten können. Dies ist sicher sinnvoll, da ein Umstieg auf neue kryptographische Verfahren sehr aufwendig und teuer ist. Allerdings steigt das Bewusstsein für die Notwendigkeit für einen Umstieg in vielen Bereichen der Industrie. Dazu hat etwa das BSI schon Handlungsempfehlungen für den Hochsicherheitsbereich ausgesprochen. Dort müssen Daten für mehrere Jahrzehnte geschützt werden und eine Absicherung gegen Quantenangriffe ist dringend erforderlich. Wichtig wird auch eine gute Unterstützung von PQC-Algorithmen in kommenden Hardwaregenerationen, um durch eine Umstellung keine Einbußen bezüglich Performance und Sicherheit zu erleiden. Dies ist etwas, woran wir aktuell bei Infineon und mit Partnern in Forschungsprojekten wie Aquorypt, FutureTPM oder PQC4MED arbeiten, gefördert vom BMBF und der EU im Rahmen des Horizon 2020 Programms.

Infineon ist Europas größter Halbleiterhersteller. Was haben Halbleiter mit Quantencomputern zu tun?

Es gibt ja momentan noch viele konkurrierende Ansätze, um einen Quantencomputer zu realisieren. Manche davon basieren ähnlich wie heutige klassische Computer auf Halbleitern, das heißt, dass die elementaren Bausteine der Quantencomputer, die sogenannten Qubits, direkt im Halbleiter realisiert werden. Aber auch bei anderen Ansätzen ist eine Menge an klassischer Halbleiter-Elektronik nötig, um einen Quantencomputer zum Leben zu erwecken. Und vor allem hinsichtlich einer Weiterentwicklung der heutigen, doch noch sehr limitierten Quantenprozessoren, wird die Expertise der Halbleiterindustrie hinsichtlich Skalierung und Fertigungsprozessen immer wichtiger. Das liegt daran, dass in der Halbleiterindustrie standardmäßig Millionen Bauteile in gleichbleibender Qualität gefertigt werden müssen, um deren Funktionsfähigkeit zu garantieren. Die Methoden, die das ermöglichen, helfen auch dabei, identische Qubits zu realisieren. Kleine Abweichungen der Qubits oder deren Umgebung würden einer Skalierung zu größeren Systemen im Wege stehen.

Jüngst hat Infineon den Prototypen eines neuen Quantenprozessors auf Ionenbasis vorgestellt, der für die industrielle Realisierung optimiert wurde. Was verbirgt sich dahinter und warum könnte es Infineon auf die Überholspur bringen in der Quantentechnologie?

Der 2 x 9 Ionen-Quantenprozessor war unser Pilot, um zu zeigen, wie die industrielle Fertigungskette eines Ionenprozessors vom Konzept bis zur Applikation realisiert werden kann. Die dort verwirklichte parallele Anordnung zweier Ionen-Arrays konnte einen Schritt in Richtung Skalierung jenseits rein linearer Ketten aufzeigen, ein wichtiges Ergebnis auf dem Weg zu einem leistungsfähigen Quantencomputer. Durch unsere Fertigungskompetenz sowie starke akademische Partner an der Universität Innsbruck und der ETH Zürich schaffen wir schnelle Lernzyklen und können unsere ersten Prototypen zügig zu mittelskaligen Quantenprozessoren weiterentwickeln.

Wir befinden uns ökonomisch in einer schwierigen Zeit. Was hat das für Einflüsse auf die Vermarktung von Quantencomputing?

Die unterschiedlichen Bereiche der Wirtschaft sind ja unterschiedlich stark durch die Auswirkungen der Corona-Pandemie betroffen. Während zum Beispiel die Reisebranche massive Einbußen zu verzeichnen hat, sieht man eine weiter zunehmende Dynamik in der Digitalisierung. Deswegen sehe ich von dieser Seite eher eine positive Entwicklung für die Vermarktung. Besorgniserregender ist aus meiner Sicht die Zunahme der wirtschaftlichen Auseinandersetzungen weltweit, vor allem zwischen den USA und China. Hier zeigt sich die Wichtigkeit einer starken und eigenständigen europäischen Wirtschaft einhergehend mit einer technologischen Souveränität. Dazu braucht es immer wieder mutiges und schnelles Handeln und eine kontinuierliche Umsetzung der ja exzellenten Forschung in die Wirtschaft mit starken Unternehmen. Und eine Akzeptanz in Politik und Gesellschaft, dass auch manche Versuche dabei krachend scheitern werden.

Nehmen wir ein herkömmliches mittelständisches Unternehmen: Wann und vor allem wie würden Sie ihm empfehlen, auf Quantencomputing zu setzen?

Das hängt sicher sehr von der Branche ab, in dem das Unternehmen aktiv ist, und welche Aufgaben dort anfallen. Vor allem Unternehmen, die komplexe Simulations- und Optimierungsanforderungen haben, werden wahrscheinlich als erste von Quantencomputern profitieren können. Darunter fallen beispielsweise die Chemie-, Finanz- und Automobilbranche. Und auch wenn der praktische Nutzen von Quantencomputern noch etwas entfernt scheint, so ist gerade für diese Branchen aus meiner Sicht eine frühzeitige Beschäftigung mit Quantencomputern zu empfehlen. Die Nutzung solcher Systeme unterscheidet sich doch deutlich von klassischen Computern und benötigt andersartige Kompetenzen, die nicht von heute auf morgen aufgebaut werden können. Wahrscheinlich am sinnvollsten ist dafür der Aufbau von Partnerschaften entweder mit Quantencomputing-Unternehmen bzw. Startups selbst oder mit engagierten Forschungsgruppen. Und dann gibt es natürlich auch noch die Anbieterseite, auf der sich mittelständischen Unternehmen zusätzliche Absatzmöglichkeiten eröffnen könnten. Hier wären Elektronik, Photonik oder Tieftemperaturtechnologie ebenso wie Softwarelösungen Beispiele für relevante Bereich.

Wie bewerten Sie den „Systemwandel“, der gerade zwischen herkömmlichem Computing und neuem Quantencomputing passiert? In welchem Zeitraum wird der Quantencomputer ein nicht mehr verzichtbarer Standard für breite Teile der Wirtschaft sein? Was sind noch zu überwindende Hindernisse?

Systemwandel ist vielleicht etwas hoch gegriffen. Auch wenn Quantencomputer in der Zukunft zu massiven Verbesserungen in einigen Bereichen führen können, so sehe ich sie doch als Ergänzung zu klassischen Computern und nicht als Ersatz. Trotzdem ist das Potenzial beträchtlich, was mich wieder zu den „schwarzen Schwänen“ bringt. Und der nötigen Bereitschaft, sich bietende Gelegenheiten und Chancen aus einer Anwendung von Quantencomputern zu ergreifen und sich so einen Vorteil gegenüber der Konkurrenz zu verschaffen. Die Schätzungen, ab wann Quantencomputer in der Breite zum Einsatz kommen werden, variieren natürlich. Persönlich rechne ich mit ersten wirklich praxisrelevanten Anwendungen in fünf bis zehn Jahren, während leistungsfähigere Rechner – beispielsweise für das Knacken heutiger Verschlüsselung – sicher noch etwas weiter entfernt sind.

Es gibt allerdings noch einige Hindernisse zu überwinden. Auf Hardwareseite liegt ein Großteil der Herausforderungen für eine Weiterentwicklung im Engineering. Da bin ich angesichts der Erfolgsgeschichte der Halbleiterindustrie sehr zuversichtlich, dass bei entsprechenden Investitionen auch praktikable Lösungen gefunden werden. Gleiches sehe ich für die Software. Es gibt aber teilweise auch noch auf der physikalischen Ebene die Notwendigkeit zu signifikanten Verbesserungen, z. B. bei den Eigenschaften der elementaren Bausteine, den Qubits. Hier kann es sicher immer noch passieren, dass sich eingeschlagene Pfade als Sackgassen erweisen, auch wenn man schon weit vorangekommen ist.

Ihr Ausblick: Wie steht es um die sog. „Quanten Supremacy“ oder den „Quantum Advantage“? Hinkt Europa anderen Kontinenten nach oder ist das Quantencomputing ein globales Projekt, an dem am Ende jeder profitiert? Und wie steht Deutschland im internationalen Vergleich da?

Mit dem Erfolg von Google bei supraleitenden Schaltkreisen und den kürzlich veröffentlichten Ergebnissen einer chinesischen Forschergruppe basierend auf Photonen ist aus meiner Sicht auch im Experiment hinreichend nachgewiesen, dass Quantencomputer Aufgaben schneller lösen können als klassische Computer, was auch als „Quantum Supremacy“ bezeichnet wird. Wobei sich natürlich die Messlatte durch Verbesserungen bei klassischen Computern oder durch Anwendung von künstlicher Intelligenz immer wieder verschiebt. Wohl auch deswegen gibt es hier immer wieder einen Disput, aber für mich ist dieser Meilenstein definitiv erreicht.

Für einen Quantenvorteil in relevanten Anwendungen, also einen „Quantum Advantage“, sind sicher noch einige Entwick- lungsschritte nötig. Aber ich bin optimistisch, dass diese auch in absehbarer Zeit erreicht werden. International sehe ich beim Quantencomputing Deutschland und Europa in einer ähnlich paradoxen Situation wie in anderen Bereichen der Digitalisierung. Während es exzellente Forschung hierzulande gibt, sind andere Länder in der wirtschaftlichen Verwertung der Ergebnisse besser und schneller. Aber eigentlich gibt es keinen Grund, warum wir das nicht auch schaffen sollten. Und mit den in Aussicht gestellten Mitteln des Konjunkturpakets der Bundesregierung und den verschiedenen Länderinitiativen gibt es eine gute Anschubfinanzierung, also packen wir‘s an!