30 bis 2030 | Claudia Linnhoff-Popien: Talentschmiedin der Quanteninformatik
Claudia Linnhoff-Popien
Foto: PRKomplexe Zahlen, Formeln und verzwickte Gleichungen faszinierten Claudia Linnhoff-Popien schon in früher Jugend so sehr, dass sie – damals als Schülerin in der DDR – regelmäßig an Rechenmeisterschaften teilnahm und es bei den landesweiten sogenannten Mathematikolympiaden mehrfach bis zur Bezirkssiegerin brachte. Nach der Wende, nach dem Studium der Mathematik in Leipzig, sowie Promotion und Habilitation in Informatik an der RWTH Aachen, schaffte sie 1998 die Berufung als damals jüngste Professorin Bayerns an die renommierte Ludwig-Maximilians-Universität LMU nach München.
Seit mehr als 20 Jahren leitet Linnhoff-Popien dort inzwischen den Lehrstuhl für Mobile und Verteilte Systeme, der sich unter anderem mit der Entwicklung von Software für eines der kompliziertesten und zugleich faszinierendsten Anwendungsfelder von Mathematik und Informatik befasst: dem Einsatz von Quantencomputern. Bei der Grundlagenforschung für diese Maschinen gelten deutsche Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler international als führend. Bei ihrem praktischen Einsatz hingegen liegen – wie so oft in der IT – eher US-Unternehmen, zunehmend aber auch chinesische Forschungsinstitute meist vorne. Geht es nach Linnhoff-Popien, soll sich das ändern.
Schließlich haben die Maschinen das Potenzial, Alltag und Wirtschaft so radikal zu verändern wie einst die Erfindung des heute klassischen Computers. Fachleute erwarten von Quantenrechnern einen immensen Leistungsschub, weil sie nicht mehr binär arbeiten, also allein in Form von „0“ und „1“. Statt allein diese beiden Zustände können die Qubits genannten Rechenkerne der Quantencomputer auch beliebige andere zwischen den beiden Extremen annehmen – und das sogar gleichzeitig. Dieses Phänomen erlaubt es ihnen, Aufgaben nicht bloß zweidimensional und linear abzuarbeiten, sondern mithilfe unzähliger Lösungspfade zugleich.
Zumindest theoretisch. Denn bisher fehlte es nicht nur an ausreichend schnellen und robusten Quantenrechnern, die in ihrer Rechenleistung tatsächlich die schnellsten und stärksten Rechner klassischer Bauart abhängen. Lange Zeit fehlte es vor allem in der Wirtschaft auch an ausreichend qualifizierten Fachleuten, die die komplexe Materie der Quantenphysik beherrschen und Programme für die Zukunftsrechner schreiben können. Dass zumindest Letzteres heute anders ist, dass mittlerweile Hunderte in Quanteninformatik geschulte Expertinnen und Experten in deutschen Unternehmen und Forschungseinrichtungen arbeiten, ist auch das Verdienst von Linnhoff-Popien und ihrem Münchner Lehrstuhl.
Der fungiert nicht bloß seit Jahren als Talentschmiede für die deutsche Quanteninformatik. Zugleich war der Lehrstuhl stets so etwas wie der institutionalisierte Kompetenztransfer aus der Wissenschaft in die Wirtschaft. Ob BASF, E.On, Merck, SAP oder Siemens, wenn einer von Deutschlands Großkonzernen zuletzt mögliche Einsatzszenarien für künftige Quantencomputer erforschte, waren Linnhoff-Popien und ihr Expertenteam in gemeinsamen Projekten meist an Bord.
„Die Zeiten sind vorbei, in denen es an kompetenten Leuten fehlte“, sagt die Informatikerin. „Es wird Zeit, dass der ausreichend leistungsstarke Rechner kommt, mit dem wir die theoretische Überlegenheit der Quanteninformatik in komplexen mathematischen Problemstellungen und Optimierungs- oder Simulationsaufgaben endlich auch für industrielle Anwendungsfälle nachweisen können“, fordert sie. Und dabei schwingt die Ungeduld in jeder Silbe mit.
Zwar sei es Fachleuten ihres Lehrstuhls bereits gelungen, Algorithmen zu entwickeln, die auf sogenannten Hybridrechnern des kanadischen Quantencomputing-Spezialisten D-Wave bessere Ergebnisse lieferten als auf traditionellen Rechnern. „Nur ist D-Wave bisher den Beweis schuldig geblieben, dass die Berechnungen tatsächlich auf Quanteneffekten basieren“, moniert die LMU-Forscherin. Andere Rechner, etwa von IBM, Google oder IonQ, wiederum arbeiteten noch nicht zuverlässig genug oder bieten zu wenige Quantenbits, um bei der Lösung von praxisrelevanten Aufgaben einen Quantenvorteil nachzuweisen.
Deutschland habe bei der Herstellung von Quantenhardware bereits den Anschluss verpasst, konstatiert die Münchner Expertin, verweist zugleich aber darauf, dass die Ausgangsposition in der Software erstklassig sei. Nun müsse das Land dafür sorgen, dass Forschungseinrichtungen und Unternehmen Algorithmen für die modernsten internationalen Quantenrechner vorbereiten können, fordert Linnhoff-Popien: „Sonst sind wir komplett abgehängt.“
Dass Bund und Länder Millionen von Euro in die Entwicklung von Quantenrechnern in Deutschland investierten, bringe nichts, „wenn die Maschinen leistungsmäßig gar nicht mit denen im Ausland mithalten können.“ Bisher habe ihr Team noch nicht einmal Zugriff auf deutsche Quantenrechner.
Zudem gefährde der gegenwärtige nationale Fokus auf Quanten-Hardware die Wettbewerbsfähigkeit deutscher Fachleute in Hochschulen und Unternehmen bei der Entwicklung von Algorithmen und Software für Quantenrechner. „Weil heute fast alles an staatlichen Fördermitteln in die Computer fließt, droht die Software-Seite ihr internationales Renommee zu verspielen“, warnt die LMU-Expertin.
Ihrer eigenen Faszination für die Materie tut das allerdings keinen Abbruch. Im Gegenteil. Sie arbeitet schon an einem neuen, bisher wenig erforschen Einsatzgebiet für Algorithmen, um damit bis dato ungelöste medizinische Optimierungsprobleme zu knacken. „Wir entwickeln mathematische Modelle für den Einsatz von Quantencomputern zur Diagnose von bisher nicht klar erkennbaren Erkrankungen“, so Linnhoff-Popien. Doch die Zeit dränge: Während in den USA ähnliche Projekte bereits vorangetrieben würden, fehle es in Deutschland an raschen, unbürokratischen Fördermitteln für hochinnovative Themen.
Mit Fachexperten im In- und Ausland hat sie ihren Ansatz bereits diskutiert, er gilt als extrem vielversprechend und europäisch einmalig. Linnhoff-Popien ist überzeugt: Mit den neuen Algorithmen mache sie, spätestens, wenn sich die Quantenüberlegenheit tatsächlich nutzen lasse, „die Welt wirklich ein Stück besser“.
Und das wäre dann bei einer künftigen Matheolympiade eine Goldmedaille wert. Mindestens!
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