Start-up: Heisenberg Quantum Simulations: Bits, gut gekühlt

Tech-Konzerne wie IBM, Google und Microsoft wollen im Wettrennen um die besten Quantencomputer vorne dabei sein. Software für die neuen Superrechner schreibt das deutsche Start-up Heisenberg Quantum Simulations.

Ein Technologie-Start-up, über das der Gründer sagt, dass es in Deutschland keine Wettbewerber hat? Könnte überheblich wirken. Oder tatsächlich ziemlich einzigartig sein. Heisenberg Quantum Simulations aus Karlsruhe entwickelt Anwendungen für die Pharmaindustrie. Allerdings schreiben die Mitarbeiter keine herkömmlichen Programme. Sie entwickeln Quantenalgorithmen für Quantencomputer.

Quantencomputer sind nicht einfach nur schnellere Computer. Sie rechnen anders als normale Computer nicht in Bits, also in den zwei Zuständen, in 0 und 1. Ein sogenanntes Qubit kann alle Zustände annehmen und Rechenoperationen nicht nacheinander sondern gleichzeitig ausführen.

Tobias Grab, promovierter Chemiker und Chef des Karlsruher Start-ups, nutzt gerne kleine bunte Steine, um die komplizierte Materie der Quantenmechanik zu erklären. "Stellen Sie sich einfach einen Legobausatz vor, von dem Sie die Anleitung verloren haben. Wie viele Möglichkeiten gibt es die kleinen Steine zusammenzusetzen? Bei mehr als zwölf unterschiedlichen Steinen gibt es Milliarden Varianten. Der Legobausatz eines Millenium Falken aus der Stars-Wars-Serie hat über 7000 Teile. "Jede Variante selbst auszuprobieren, würde länger dauern, als unser Sonnensystem existiert", sagt Grab. Aber Quantencomputer können hier helfen. Mit ihnen lassen sich vor allem Probleme lösen, die nicht linear, sondern eben exponentiell kompliziert sind.

Mittlerweile arbeiten große Konzerne mit viel Geld und großen Forschungsabteilungen wie IBM, Google, Microsoft und Intel an der kommerziellen Umsetzung von Quantencomputern. Inzwischen gibt es Chips, die über 72 Qubits verfügen. 100 Qubits könnten demnächst möglich sein. Das Ziel ist die sogenannte "Quanten-Überlegenheit", also der Punkt, an dem Quantencomputer besser rechnen können als die besten Supercomputer.

Aber die Zahl der Qubits alleine sagt noch nicht viel aus über die Fähigkeiten des Rechners. Qubits sind sehr fehleranfällig, deshalb braucht es Korrektur-Qubits. Zudem liegt die Idealtemperatur eines Quantencomputer bei Minus 273 Grad Celsius oder 0 Kelvin. Erst dann bewegt sich keine Materie mehr. Das ist für die Quantencomputer und ihre supraleitenden Materialen wichtig, da Temperatur Bewegung ist und jede Bewegung eine Störung.

Materialsimulation für Chemie und Pharma

Die neuen Computer, an denen vor allem die US-Techriesen bauen, brauchen auch eine neue Software. Und daran arbeiten Tobias Grab und Michael Marthaler und drei weitere Physiker, die alle am Karlsruher Institut für Technologie in einem Team zu Festkörperphysik und Quantencomputing geforscht haben. Erst im April dieses Jahres haben sie Heisenberg Quantum Simulations gegründet. Ihnen sei klar gewesen, dass die ersten Anwendungen für die neuen Computer in der Materialsimulation für Chemie und Pharma liege, sagt Grab. Zudem gab es durch die Universität viele Kontakte zu forschenden Firmen in diesem Bereich. Man habe gesehen, dass es hier eine Nachfrage nach dieser Software gibt.

Mittlerweile ist das Unternehmen auf zehn Mitarbeiter angewachsen. Im nächsten Jahr schon sollen es doppelt so viele sein, sagt Tobias Grab. Dass das Start-up so stark wachsen will, liegt daran, dass das junge Unternehmen mit Google und IBM und dem US-Hardware-Start-up Rigetti zusammenarbeitet und bereits zwei Dax-Konzerne zu seinen Kunden zählt.

Die Karlsruher Gründer schreiben derzeit vor allem an Quantenalgorithmen, die die Prozesse bei der Entwicklung von neuen Medikamenten schneller machen sollen. "Bislang werden hier vor allem intelligente Trial-and-Error-Verfahren eingesetzt", sagt Tobias Grab. Man versuche mit Experimenten zu einer Lösung zu kommen. "Mit quantenmechanischen Effekten ist es aber nun möglich, diese Experimente virtuell durchzuführen". So könne man bei allen Teilchen aus denen Medikamente bestehen alle Varianten und Möglichkeiten ausprobieren. Dadurch lasse sich die Anzahl der notwendigen Experimente verringern. Quantencomputer sind für Tobias Grab ein Werkzeug, mit dem sich die Forschung beschleunigen lasse. So werden neue Medikamente immer erst an verschiedenen Gruppen getestet und erst zugelassen, wenn sie mehr Nutzen als Nebenwirkungen haben.

Das aber kann zehn Jahre dauern. Mithilfe der Quantenmechanik sei es nun viel schneller möglich, chemische und physikalische Zusammenhänge zu simulieren und zu erkennen. Das langfristige Ziel ist, sagt Grab, eine personalisierte Medizin. "Wir haben das Grundwissen, wir können es uns vorstellen, aber bis dahin ist es noch ein weiter Weg."

Der Wirtschaftsgipfel der Süddeutschen Zeitung zeichnet mit dem Start-up-Wettbewerb "Gipfelstürmer" die besten Gründer aus. Die Ausschreibung endete am 31. August. Mehr dazu unter www.sz-wirtschaftsgipfel.de/gipfelstuermer