Die Quantenforschung bringt unglaubliche Technologien hervor und überwindet Grenzen, die bislang als unüberwindbar galten. Das Potenzial des Quantencomputers – als Krone dieser Forschungsaktivitäten – ist immens. Zum Einsatz kommen die Rechner zum Beispiel in den Naturwissenschaften. Dabei geht es u. a. darum, die atomare Struktur von Materialien oder Molekülen zu analysieren. Simulationen sind in diesem und vielen anderen Bereichen der Wissenschaft unerlässlich. Was aber sind die Vorteile von Quantencomputern verglichen mit denen aktueller Hochleistungsrechner? Wo gibt es Grenzen und wie können beide gewinnbringend miteinander kombiniert werden?

Die numerische Modellierung im großen Maßstab – sprich das Simulieren mithilfe von Hochleistungs- bzw. Supercomputing – erlaubt seit einiger Zeit tiefe Einblicke in komplexe Systeme. Entsprechende Experimente sind oftmals entscheidend für wissenschaftliche Durchbrüche in Bereichen wie der Medikamenten- und Klimaforschung oder der Energiegewinnung. Um das volle Potenzial moderner Rechensysteme vollständig auszuschöpfen, wollen die Paderborner Wissenschaftler*innen ein hybrides Modell etablieren: Sie kombinieren Quanten- und Supercomputing. Der Ansatz ist neu und bietet eine Reihe von Vorteilen. Weil die Informationsverarbeitung parallel stattfindet, die Aufgaben also verteilt und gleichzeitig bearbeitet werden, können sie schneller gelöst werden. Dafür sind parallele Strukturen vorhanden, die sich jeweils um die einzelnen Arbeitspakete kümmern. Noch steckt die Forschung dazu allerdings in den Kinderschuhen.

Die Universität Paderborn ist nicht nur aufgrund ihrer Expertise in der Physik bestmöglich aufgestellt, um die oben beschriebenen Sachverhalte zu erforschen. Mit ihrem HPC-Rechenzentrum (High Performance Computing, kurz HPC) und dem Supercomputer „Noctua 2“ gehört sie zum Verbund der Nationalen Hochleistungsrechenzentren und bietet ihren und Wissenschaftler*innen bundesweit eine hervorragende Infrastruktur. Paderborner Forscher*innen ist es zum Beispiel erst kürzlich gelungen, als erste Gruppe weltweit die Rechenleistungsschranke von einem sogenannten „Exaflop“ – das sind mehr als eine Trillion Gleitkommaberechnungen pro Sekunde – für eine Anwendung in den rechnergestützten Wissenschaften zu durchbrechen. Damit haben sie einen neuen Weltrekord aufgestellt.

Hochleistungsrechnen wird ebenso wie Quantencomputing zur Erforschung von Quantenzuständen im Sinne der physikalischen Grundlagen eingesetzt. Gleichzeitig werden Quantenzustände genutzt, um immer schnelleres Rechnen zu ermöglichen. Es kann also keinesfalls davon ausgegangen werden, dass die eine Disziplin ein Hilfsmittel für die jeweils andere wäre. Im Gegenteil: Wenn es um die Analyse von Quantensystemen geht, spielen auf der einen Seite Rechenkapazitäten eine zentrale Rolle (hier kommen Quantencomputer und/oder HPC-Systeme zum Einsatz), auf der anderen Seite sind es die Quantensysteme selbst, die die komplexen Berechnungen erst ermöglichen. Kurz gesagt: Klassische Computer werden zur Untersuchung von Quantensystemen und Quantencomputer für die Lösung klassischer Rechenprobleme genutzt.

Physiker*innen, Informatiker*innen, Mathematiker*innen und Ingenieur*innen arbeiten an der Universität Paderborn deshalb eng zusammen, um die Informationsverarbeitung auf und von Quantensystemen zu beschleunigen. Mithilfe von Simulationen und der konkreten Realisierung photonischer Quantensysteme sind sie auf dem besten Weg, bedeutsame Fortschritte auf einer Vielzahl von Gebieten zu erzielen.