Quantencomputer: Wie sie die Medizin verändern

Eine neue technologische Revolution: Quantencomputer können die Welt dramatisch verändern, sagt die Physikerin Dr. Silvia Arroyo Camejo im Interview. Sie spricht von „schier endlosen“ Anwendungsmöglichkeiten für einen universellen Quantencomputer in der Zukunft. Bereits heute verändern noch „verrauschte“ Rechner die medizinische Diagnostik.

Fragen: Dr. Stephan Balling

Frau Dr. Camejo, Quantencomputer haben in den zurückliegenden Wochen für Schlagzeilen gesorgt. Wo steht die Technologie des Quantum Computing, wie reif ist sie?

Ehrlicherweise stecken die heutigen Quantencomputer noch immer in den Kinderschuhen. Die Anzahl der Quantenbits (Qubits) in heutigen Quantencomputern ist mit circa hundert Stück immer noch verhältnismäßig klein für praktische Anwendungen und die Quantencomputer-Hardware ist noch immer sehr verrauscht. Man nennt sie in der Fachwelt daher auch „verrauschte, mittelgroße Quantencomputer“ (engl. Noisy Intermediate-Scale Quantum [NISQ] computers), um sie vom eigentlichen heiligen Gral, dem universellen Quantencomputer, zu unterscheiden. Universelle Quantencomputer müssten gemäß derzeitigem Stand für praktische Anwendungen aus Zehntausenden oder mehreren Millionen Qubits bestehen.

Welche Folgen hat dieses „Rauschen“?

Rauschen ist bei Quantencomputern besonders prekär, denn es führt dazu, dass der Quantencomputer nur kurze Zeit quantenmechanisch operieren kann, da seine Kohärenzeigenschaft – eine zentrale Quanteneigenschaft – durch das Rauschen immer mehr zerstört wird. Hierdurch haben heutige Quantencomputer kaum genug Zeit, um genügend Rechenschritte durchzuführen, bevor der Quantenzustand in einen klassischen Zustand „zerfallen“ ist. Auch müssen die NISQ-Computer noch deutlich größer werden, um Rechenprobleme relevanter Größe verarbeiten zu können. Hier gilt es, noch viel an fundamentalen, physikalischen Tricks auszunutzen und Fabrikationstechniken zu verbessern, bevor wir echte, universelle Quantencomputer zur Verfügung haben, die unsere Welt revolutionieren könnten.

Was ist von Quantum Computing in den nächsten Jahren noch zu erwarten?

Obwohl heutige Quantencomputer noch sehr klein und unperfekt sind, zeigt der technische Fortschritt der vergangenen Jahre in dem Bereich eine stetige Weiterentwicklung. Eine Reihe anerkannter Technologiefirmen geben sich aktuell ein Rennen darum, den ersten universellen Quantencomputer relevanter Größe und Präzision zu bauen. Dies ist allerdings ein Marathon, kein Sprint. Einige Firmen haben sehr ambitionierte Zeitpläne für ihre Quantencomputer-Entwicklung angekündigt. Diese werden von der Fachwelt aber eher belächelt. Wenn eine der Firmen es allerdings in 10 bis 20 Jahren schaffen sollte einen universellen Quantencomputer zu entwickeln, dann könnte dies die Welt dramatisch verändern. Ein Quantencomputer wäre durch spezielle Quantenalgorithmen in der Lage, bezüglich bestimmter Rechenprobleme jeden klassischen Computer zu übertreffen und Lösungen für Probleme zu finden, die klassisch in endlicher Zeit nicht lösbar sind.

Welches Potenzial sehen Sie für Quantencomputer im Gesundheitswesen?

Bis es so weit ist, dass ein universeller Quantencomputer existiert, stellen sich Fachwelt und Industrie die Frage, welche relevanten Use Cases es gibt, in denen die heutigen, kleinen, verrauschten NISQ-Computer durch die Andersartigkeit der Quantenalgorithmen in bestimmten Problemstellungen einen Mehrwert liefern können. Solche Anwendungen könnten zum Beispiel chemische Simulationen sein, die in der Medikamentenforschung und Labordiagnostik sehr relevant sind, oder das Lösen von verschiedenen Optimierungsproblemen, wie sie beispielsweise in klinischen Planungsprozessen auftreten. Nicht zuletzt eignen sich Quantencomputer hervorragend, um Quantenobjekte zu simulieren, wie zum Beispiel die Spins in einem Patienten, der in einem Magnetresonanztomografen liegt. Quantencomputer könnten uns dabei helfen, bessere und robustere Bildgebungssequenzen für diese großartigen medizinischen Geräte zu entwickeln, um die diagnostische Aussagekraft noch signifikanter zu erhöhen. Die möglichen Anwendungsbereiche für einen universellen Quantencomputer wären schier endlos.

Wie kann, wie wird diese Technologie das Gesundheitswesen beeinflussen oder verändern?

Wenn universelle Quantencomputer in der Zukunft in Forschung und Entwicklung im Gesundheitswesen eingesetzt werden können, würden sie vermutlich ganze Entwicklungsprozesse revolutionieren. Komplexe biochemische Reaktionen könnten effizient simuliert werden, Reagenzien gezielt entwickelt werden. Auch dem Ziel der Präzisionsmedizin, in der man versucht, verschiedenste Patienteninformationen zu kombinieren, um die richtige Diagnose zu stellen und genau die richtigen Therapieempfehlungen für diesen Patienten auszusprechen, könnten uns Quantencomputer mit ihren neuartigen Algorithmen einen Quantensprung voranbringen.

Die promovierte Physikerin Dr. Silvia Arroyo Camejo arbeitet seit knapp drei Jahren als Datenwissenschaftlerin bei Siemens Healthineers in Erlangen. Zuvor forschte sie fünf Jahre am Max Planck Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen, wo sie zunächst promovierte und dann mehrere Forschungsprojekte, unter anderem in den Bereichen Quantencomputer, Quantenerfassung und hochauflösende Mikroskopie, leitete.