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Im Jahr 1946 wurde das Watson Scientific Computing Laboratory an der Columbia University in New York City zu einer Pioniereinrichtung, die die akademische Welt mit der Forschung und Entwicklung von Unternehmen in Berührung brachte.
Ein Jahr nach seiner Eröffnung lancierte das Labor mit einem «dreiwöchigen Kurs über Computing» den weltweit ersten Informatik-Lehrgang. Im Laufe der Zeit besuchten Tausende von Akademikern und Highschool-Lehrern für Naturwissenschaften und Mathematik den Kurs, in dem sie in die Grundlagen der automatisierten Datenverarbeitung eingeführt wurden. Einige Jahre später begann Harvard, gefolgt von der Cambridge University, ähnliche Kurse anzubieten, und heute kann man an mehr als 650 Universitäten einen Hochschulabschluss in Informatik erwerben.
Stefan Filipp
Physiker und Quantencomputing-Experte
Stefan Filipp ist Physiker und Technischer Leiter der Forschungsgruppe Quantum Computing am IBM-Forschungslabor in Rüschlikon.
Es dauerte also etwa 70 Jahre, bis die formale Disziplin der Informatik geschaffen wurde. Aber die Welt ist heute eine ganz andere, und der Fortschritt der Innovation, insbesondere im IT-Bereich, geschieht in einer beispiellosen Geschwindigkeit. So stehen wir zurzeit am Anfang einer neuen Ära, in der wir die stetig und kontinuierlich zunehmende Leistungsfähigkeit von Quantencomputern zu nutzen beginnen. Diese Quantencomputer stehen zwar bereits jedem zur Verfügung, aber es mangelt an Fachleuten mit genügenden Kompetenzen, um sie zu nutzen.
Denn die Programmierung eines Quantencomputers unterscheidet sich stark von den heutigen «klassischen Computern», wie unserem Laptop und Smartphone. In der Tat erfordern Quantencomputer eine neue Art, Computerprogramme zu schreiben.
Quantencomputer 101
Klassische Computer basieren auf Bits, die entweder den Wert 0 oder 1 annehmen können. Die Bits werden physikalisch durch Transistoren realisiert. Je mehr Transistoren und je höher deren Schaltfrequenz, desto schneller dein Computer, so einfach ist das. Die Chiphersteller haben seit mehreren Jahrzehnten die Anzahl Transistoren auf einem Chip erhöht. Aber wir stossen nun auf eine unüberwindbare, physikalisch begründete Grenze. Hier betreten Quantencomputer nun die Bühne.
Quantencomputer gehen einen neuen Weg in der Informationsverarbeitung, weil sie auf den Prinzipien der Quantenmechanik aufbauen und dabei komplexe und faszinierende Naturgesetze nutzen. Ein solches Gesetz wird als Überlagerung oder Superposition bezeichnet. Im klassischen Computer kann ein Bit 0 oder 1 sein, aber ein Quantenbit oder Qubit kann 0 und 1 gleichzeitig sein; das ist das Prinzip der Überlagerung.
Durch die Nutzung dieses natürlichen Verhaltens, zu dem auch die Verschränkung – eine Art Verknüpfung von Qubits – gehört, können Quantencomputer neuartige Algorithmen ausführen, die geradezu revolutionäre Fortschritte in den Materialwissenschaften, der Medikamentenentwicklung, der Berechnung von Finanzrisiken und der Künstlichen Intelligenz herbeiführen könnten. Bei Quantencomputern geht es nicht nur um Geschwindigkeit, sondern auch darum, Lösungen für Probleme zu finden, die bisher aufgrund der extrem grossen und zeitaufwendigen Berechnungen unlösbar waren.
Aber das Verständnis dieser neuen Form des Rechnens erfordert neue Fähigkeiten, die sich über mehrere wissenschaftliche Disziplinen erstrecken, darunter Informatik, Physik, Mathematik und Chemie – weshalb es einen grossen Bedarf an Talenten bei einem gleichzeitig noch sehr kleinen Kandidatenpool gibt. Allein IBM hat derzeit mehr als ein Dutzend Stellenangebote im Bereich Quantum Computing.
Das ist einer der Gründe, warum IBM den weltweit ersten allgemein zugänglichen Quantencomputer bereits im Mai 2016 kostenlos in die Cloud gestellt hat und warum wir Quantensoftware als Open Source zur Verfügung stellen. Wir arbeiten auch mit Dutzenden von Universitäten wie der ETH Zürich und der EPFL zusammen, um Quantencomputer in die Hörsäle zu bringen. Ich würde schätzen, dass wir die Anzahl Arbeitskräfte in den nächsten zehn Jahren um das Zehnfache erhöhen müssen, um die Anforderungen im Bereich Quantum Computing zu erfüllen.
Um dieses Wachstum an Personal voranzutreiben, veranstaltet IBM vom 12. bis 15. September in Zusammenarbeit mit der ETH Zürich ein Quantum Camp und einen Hackathon am Piz Gloria auf dem Schilthorn im Berner Oberland mit 200 Entwicklern aus ganz Europa. Während des Camps werden die jungen Programmiererinnen und Programmierer lernen, wie man in der Quantenmechanik denkt und wie man praktische Anwendungen und sogar Spiele entwickelt.
Willst du «quantenreif» werden?
In den letzten fünf Jahren sind wir von der Erforschung der wissenschaftlichen Grundlagen der Quanteninformation zur Erkundung des Potenzials von realen Quantencomputern für praktische Anwendungen avanciert. Wir bezeichnen dies als den Übergang von der Quantenwissenschaft zur «Quantenreife». Das bedeutet aber nicht, dass es keine Wissenschaft mehr braucht, ganz im Gegenteil. Um erfolgreich zu sein, setzen wir auf eine Gemeinschaft von Forscherinnen, Ingenieuren, Entwicklerinnen, Designern und Firmen, die gemeinsam die Herausforderung anpacken, unsere Erkenntnisse über die mikroskopische Welt der Quanten für eine völlig neue Art von Computer nutzbar zu machen.
Ähnlich wie bei den ersten raumgrossen Rechnern aus den 1940er Jahren, ist das wahre Potenzial eines Quantencomputers noch nicht gänzlich bekannt, geschweige denn erschlossen. Die Technologie steckt voller Wunder und Möglichkeiten. Doch wir würden nie herausfinden, was Quantenmaschinen leisten können, wenn wir sie nicht bauen und verwenden. Deshalb müssen wir diese Rechner der Zukunft schon heute in die Hände von Studentinnen und Entwicklern legen.