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LEAD Innovation Blog

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Quantencomputer: Entwicklungsstand und Anwendungsbereiche

 

Quantencomputer besitzen spezifische Eigenschaften, die es ermöglichen, exponentiell mehr Informationen zu verarbeiten, als heutige Computer. Doch wie funktionieren Quantencomputer eigentlich? In welchem Entwicklungstadium befinden sie sich und wo sind potenzielle Anwendungsbereiche? Diese Fragen beantworten wir Ihnen nachfolgend in Grundzügen.

Wie funktionieren Quantencomputer?

Ein Bit, die kleinste elektronische Speichereinheit, bildet die Basis heutiger Computer. Mittels Spannung kann es die Zustände 0 oder 1 annehmen. Das Äquivalent der Bits bilden bei Quantencomputern die Quanten-Bits (Qubits):

  1. Qubits können im Vergleich zu Bits nicht nur die Zustände 0 und 1 annehmen, sondern auch beide gleichzeitig. In Bits entspricht das den Zuständen 00, 01, 10 und 11.
  2. Diese Überlagerungszustände der Qubits werden „Superpositionen“ genannt.
  3. Quantenrechner können mit diesen vier Zuständen gleichzeitig rechnen und erweitern die Rechenmöglichkeiten des Computers dadurch enorm.
  4. Während ein klassischer Computer alle Rechenschritte nacheinander ausführt, kann der Quantencomputer mehrere Rechenvorgänge parallel verarbeiten.
  5. Je höher die Anzahl von Qubits, desto größer ist die Leistungsfähigkeit von Quantencomputern.

Ein Bit kann also beim Quantencomputer gleichzeitig 0 und 1 sein. Ein Atom kann sich gleichzeitig an mehreren Orten aufhalten, ein Elektron kann zugleich Welle und Teilchen sein. Um es mit einem Beispiel zu verdeutlichen: Ihr Mobiltelefon liegt z.B. entweder auf dem Tisch oder auf dem Regal. In der Quantenwelt kann Ihr Handy aber gleichzeitig auf dem Tisch und dem Regal liegen.

Innovations-Check

 

Wird der Quantencomputer herkömmliche Computer ablösen?

Ein Quantencomputer ist kein Ersatz für einen klassischen Computer. Er kann zwar in einigen spezifischen Anwendungen komplexe Berechnungen wesentlich schneller ausführen, als es mit Bits und digitalen Rechnern möglich ist. In vielen Bereichen wird ein Quantencomputer aber keinen zusätzlichen Benefit bringen. Klassischer Computer und Quantencomputer sind daher großteils als sich ergänzende komplementäre Computersysteme zu sehen.

 

Herausforderungen in der Quanten-Technologie

Eine rasche Weiterentwicklung der Quanten-Technologie wird derzeit noch von Problemen gebremst, die bislang nicht ausreichend gelöst werden konnten. Dazu gehören insbesondere:

1. Sensibilität bezüglich äußerer Einflüsse

Die Prozesse in einem Quantencomputer sind sehr sensibel für äußere Einflüsse. Qubits werden beispielsweise bereits durch kleinste Temperaturveränderungen oder geringe Strahlung beeinflusst. Die Prozesse müssen daher von möglichen Störeinflüssen perfekt isoliert sein.

 

2. Fragile Superposition

Solange sich das Qubit im Zustand der Superposition befindet, kann eine Rechenoperation durchgeführt werden. Die Dekohärenz, also der Übergang von der Superposition in den Zustand 0 oder 1, muss daher so lange wie möglich hinausgezögert werden. Problematisch ist diesbezüglich, dass es sehr aufwendig ist, die Qubit im Zustand der Superposition zu halten. Derzeit hält dieser nur etwa 100 Millisekunden an.

 

3. Fehler steigen mit Anzahl der Qubits

Ein weiteres Problem ist die starke Fehleranfälligkeit von Quantencomputern durch die fragile Superposition. Die Fehler steigen exponentiell mit der Anzahl der Qubits. Je mehr Qubits also dazukommen, desto fragiler wird deren Zusammenwirken und desto ungenauer wird das Ergebnis. Um die Rechenleistung zu steigern, ist aber eine höhere Anzahl von Qubits erforderlich.

Die Herausforderung besteht somit darin, die Rechenleistung weiter zu erhöhen und gleichzeitig eine möglichst hohe Genauigkeit zu erhalten bzw. diese zu verbessern. Um das zu erreichen, arbeitet die Forschung an einer Fehlerkorrektur, die dafür sorgt, dass auch bei einer hohen Anzahl von Qubits Fehler korrigiert werden können und so das Ergebnis möglichst genau wird. Treiber der Quanten-Technologie sind derzeit vor allem IBM, Google und Microsoft.

 

IBM: Q-Network für kommerzielle Forschung

IBM hat auf der Consumer Electronics Show 2019 (CES) in Las Vegas seinen ersten kommerziellen Quantencomputer für den Einsatz außerhalb des Labors vorgestellt. Das System vereint Quanten- und klassische Computerteile, verfügt über 20 Qubit und kann für Forschungs- und Geschäftsanwendungen eingesetzt werden.

Die 20-Qubit-Maschine ist allerdings für die meisten kommerziellen Anwendungen noch nicht leistungsfähig genug. IBM hat daher auch betont, dass dies ein erster Versuch ist und dass die Systeme „dafür ausgelegt sind, eines Tages Probleme zu bewältigen, die derzeit als zu komplex und exponentiell angesehen werden, als dass klassische Systeme sie bewältigen könnten.“

Mit dem IBM Q Network baut das Unternehmen derzeit ein weltweites Netzwerk von Industrie-, Forschungs- und Wissenschaftsinstitutionen auf. Damit sollen Geschäfts- und Forschungsinteressen zusammengeführt werden, um Anwendungsfälle für das Quantencomputing zu untersuchen. Die Organisationen, die mit IBM zusammenarbeiten, erhalten Zugriff auf ihre Quantensoftware und Cloud-basierten Quantencomputersysteme.

Gründungsmitglieder des Netzwerkes sind unter anderem Daimler, Barclays, Hitachi Metals, Honda, JP Morgan Chase, Samsung sowie die Universitäten Oxford, Keio (Tokio) und Melbourne. Darüber hinaus wurden Partnerschaften mit ExxonMobil und Forschungslabors wie CERN und Fermilab eingegangen.

 

Google: Chip mit 72 Quantenbits

Im März 2018 stellte Google seinen Chip Bristlecone vor. Dieser Quantencomputer-Chip übertrifft mit seinen 72 Quantenbits alles bisher Dagewesene. Mit Unterstützung der NASA soll 2019 der Beweis erbracht werden, dass sich mit Quantencomputern Probleme lösen, die konventionelle Rechner einfach nicht bewältigen können.

Ein ähnliches Plattform-Konzept wie IBM verfolgt auch Google. Über die Google Quantum Cloud sollen insbesondere Maschinenbauer, Chemiefabrikanten und Autokonzerne künftig komplizierte Entwicklungsprozesse – etwa für neue Batterien oder Solarzellen – erheblich beschleunigen können.

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72 Quantenbit Chip von Google

 

Microsoft: Geringere Fehlerkorrektur mit topologischen Qubits

IBM und Google verwenden supraleitende Schaltungen, um Quantencomputer zu bauen. Im Gegensatz dazu arbeitet Microsoft an einem Quantencomputer mit topologischen Qubits. Der Vorteil dieser Qubits liegt laut Microsoft darin, dass erheblich weniger Fehlerkorrekturmechanismen benötigt werden.

Während ein supraleitender Quantenschaltkreis mit einem Kartenhaus vergleichbar ist, das durch geringste Störungen von außen zum Einsturz gebracht werden kann, ist ein topologischer Schaltkreis eher mit Lego-Steinen vergleichbar. Je größer ein Kartenhaus wird, desto instabiler wird es, während eine Lego-Struktur mit wachsender Größe immer robuster wird.

Microsoft würde für dieselbe Aufgabe daher wesentlich weniger Qubits brauchen, wodurch der Aufwand reduziert wird. Im Vergleich dazu muss sich die Konkurrenz mit Fehlerkorrekturen für deutlich größere Qubit-Mengen beschäftigen. Der Software-Riese könnte sich mit diesem viel leistungsfähigeren Quantencomputer auf dem Markt einen deutlichen Vorteil verschaffen — sofern er funktioniert.

Der erste Quantenrechner dieser Art soll im Jahr 2023 fertiggestellt sein. Mit dem Microsoft Quantum Network stellt auch Microsoft seit 2019 seinen Netzwerkpartnern Quanten-Tools zur Verfügung.

 

4 potenzielle Anwendungsbereiche für Quantencomputer

Potenziell könnten Quantencomputer zur Suche nach effizienteren Routen, zur Vorhersage des Aktienmarktes, in der Material- und Arzneimittelentwicklung, in Produktion und Fertigung, in der Kryptographie und vielem mehr eingesetzt werden. Nachfolgend einige Beispiele:

 

1. Quantensimulation

Eine der vielversprechendsten Anwendungen stellt die Quantensimulation von Materialen dar. Dabei geht es darum, im Voraus Materialeigenschaften zu berechnen. Mit konventionellen Methoden ist das nicht möglich, da selbst Supercomputer Magnetismus und Elektrizität nicht bis ins letzte Detail berechnen und somit keine wirklich verlässlichen Vorhersagen über Materialeigenschaften liefern können.

Mit der Rechenleistung von Quantencomputern lassen sich zum Beispiel Materialien für leistungsfähigere Batterien oder medizinwissenschaftliche Tests simulieren. Völlig neue Möglichkeiten bietet die Quantensimulation auch in der Genforschung oder in der Biotechnologie.

Aufgrund der Fehlerrate sind für komplexere Simulationen allerdings sehr viele Quantenbits nötig, die derzeit in Quantencomputern noch nicht verfügbar sind. Eine vielversprechende Entwicklung am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) macht in Zukunft jedoch leistungsfähige Quantensimulationen von bisher kaum lösbaren Fragestellungen in der Chemie, Materialforschung oder Hochenergiephysik möglich.

 

2. Finanzbranche

Quantencomputer werden aufgrund ihrer Fähigkeit große Datenmengen in kurzer Zeit zu analysieren, auch für die Finanzbranche interessant. Finanzmarktakteure mit Quantencomputern hätten zum Beispiel im Hochfrequenzhandel von Wertpapieren einen Vorteil gegenüber Akteuren mit klassischen Rechnern. Die Kopplung von Quantenrechnern mit Künstlicher Intelligenz wird darüber hinaus noch genauere Ergebnisse zur Entscheidungsunterstützung im Trading liefern. Banken können Quantenrechner auch im Profiling ihrer Kunden zur Betrugserkennung oder Optimierung von Investmentportfolios nutzen.

 

3. Verschlüsselung

Heutige Verschlüsselungsverfahren funktionieren nur deshalb, weil es unglaublich rechenintensiv wäre, sie zu knacken. Selbst Supercomputer benötigen dafür noch Jahre. Quantencomputer könnten daher in Zukunft eine Gefahr für weniger sichere Verschlüsselungen werden.

Für das Knacken einer 2048-Bit Verschlüsselung, wie sie zum Beispiel Banken im Onlinebanking verwenden, würde allerdings selbst ein Quantencomputer mit einigen Millionen Qubits mindestens 100 Tage benötigen (Quelle: Studie des BSI). Quantencomputer könnten aber auch die Entwicklung neuer Verschlüsselungsverfahren unterstützen, die absolut sicher sind.

 

4. Optimierung des Verkehrsflusses

Die künftige Mobilität erfordert die Bewältigung hochkomplexer Abläufe, die aktuelle Rechnergenerationen an ihre Leistungsgrenzen bringen oder überfordern könnte. Denkt man etwa an Verkehrsstaus, so melden heutige Systeme lediglich den Stau. Zahlreiche Fahrzeuglenker wechseln dann die Route und landen oftmals wieder im Stau.

In einem ersten Forschungsprojekt hat Volkswagen nun gezeigt, dass Quantencomputer zur Verkehrslenkung effizient eingesetzt werden können. Dazu wurden die Echtzeit-Daten von 10.000 Taxis in Beijing auf einen Quantenchip übertragen und analysiert.

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Volkswagen sorgt mit Quantencomputern für einen intelligent gesteuerten Verkehr, © Volkswagen AG

Basierend darauf entwickelte das Forscherteam einen Algorithmus, der die Taxifahrer noch vor Entstehen des Staus über unterschiedliche Routen lenkte. Die Forscher konnten Staus bereits 15 Minuten im Voraus vorhersagen und die Routen der Taxis entsprechend optimieren. Die Fahrzeit konnte auf diese Weise deutlich reduziert werden.

Spezielle Algorithmen lassen sich also mit Quantum-Computing exponentiell schneller ausführen. Daraus ergibt sich ein riesiges Potenzial, die Quantentechnologie in vielen Branchen einzusetzen. So könnten Quantencomputer zum Beispiel auch für die Optimierung von Fertigungsplanung und Produktion nützlich werden.

 

Fazit: Quantencomputer

Noch befinden sich Quantencomputer im frühen Entwicklungsstadium, aber das Potenzial für Anwendungen in Bereichen wie Medizin, Logistik, Produktion, Materialforschung oder Mobilität sind enorm. Experten gehen davon aus, dass in fünf bis zehn Jahren Quantencomputer die heutigen Computer bei vielen Aufgaben ersetzen werden. Unternehmen sollten sich daher mit den Potenzialen und Anwendungsmöglichkeiten auseinandersetzen, solange die Technologie noch am Beginn steht.

Innovations-Check

Bild-Quelle Coverbild: https://www.pexels.com/photo/technology-computer-lines-board-50711/

Julian Eberling

Born in Vienna. Since 2018 "Certified Service Design Thinker" he has been pursuing his passion as Innovation Manager at LEAD Innovation.

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