Aktuelle Trends im Quantencomputing - Teil 2: Einsatz, Grenzen und Ausblick

 

Heutiger Einsatz von Quantencomputern

Quantencomputing erlaubt dank der Ausnutzung von quantenmechanischen Effekten – wie dem quantenmechanischen Tunneln und der Überlagerung von quantenmechanischen Zuständen physikalischer Systeme („Qubits“) – eine beschleunigte, massiv-parallele Datenverarbeitung und damit die effizientere Lösung ganzer Klassen bisher nur schwer berechenbarer Probleme, wie das Handlungsreisenden-Problem, Suchen in großen Datenmengen oder die Faktorisierung großer Zahlen.

Quantum Annealer der kanadischen Firma D-Wave unterstützen schon jetzt substanziell bei der Optimierung von logistischen Prozessen, und es lassen sich eine Reihe von Success Stories finden. Exemplarisch seien zwei prominente Beispiele angeführt: Die Volkswagen AG nutzt einen Quantum Annealer zur Analyse und Prognose von Verkehrsströmen in einer Großstadt. Lockheed Martin setzt den Quantum Annealer zur Fehlererkennung in Software ein und um unmittelbar Millionen von Zeilen Softwarecode gleichzeitig zu debuggen.

Programmierbare QC, wie die Rechner auf der IBM Q-Plattform, haben diese Einsatzreife dagegen noch nicht erreicht. Hier befindet man sich eher noch in einem experimentellen Stadium der Entwicklung von Use Cases.

Derzeitige Grenzen des Quantencomputers

Quantenmechanische Zustände sind äußerst empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen. Technisch werden sie über Ionenfallen oder supraleitende Bauteile realisiert, die aufwändig gegen elektromagnetische Störungen abgeschirmt werden müssen. Gleichzeitig müssen sie auf knapp -273,15 °C gekühlt werden – das ist kälter als der Weltraum. Trotzdem sind Qubits fehleranfällig und können quasi bei der kleinsten Störung „flippen“, d.h. ihren Zustand ändern. Um diese Fehler zu korrigieren, benötigt man für jedes Rechen-Qubit derzeit mindestens sieben „Hilfs-Qubits“ zur Fehlerkorrektur. Zudem neigen die quantenmechanisch überlagerten und verschränkten Zustände „von sich heraus“ zum Zerfallen – das Phänomen der sogenannten Dekohärenz. Zurzeit können Kohärenzzeiten von maximal 100 Mikrosekunden erreicht werden, in dieser Zeit schafft ein programmierbarer QC gerade einmal um die 200 Rechenschritte.

Entwicklung in den kommenden Jahren

Zunächst muss festgestellt werden, dass die Entwicklung der für den Betrieb der QC notwendigen Quantenalgorithmen interessanterweise die Entwicklung neuer, bahnbrechender klassischer Algorithmen und anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen beflügelt. Das macht den Beweis der praktischen Überlegenheit der QC über die klassischen Computer gerade wieder sehr spannend, denn eigentlich ist die Überlegenheit der QC (die „Quantenüberlegenheit“) bisher nur theoretisch bewiesen für das Durchsuchen großer Datenmengen („Grover-Algorithmus“) und bestimmte Entscheidungsprobleme („Deutsch-Josza-Algorithmus“).

Quantum Annealer werden schon jetzt im Alltag für Optimierungsaufgaben umfangreich sowohl als On-Premise-Installation als auch als Cloud-Service genutzt. Der Beweis der Überlegenheit der Quantenrechner gegenüber anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen, wie dem Digital Annealer von Fujitsu, steht noch aus, wird aber in wenigen Monaten erfolgen. Der Digital Annealer von Fujitsu ist ein Beispiel für eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung in herkömmlicher Siliziumtechnologie, die als Cloud-Service für die Lösung von genau der gleichen Klasse von Optimierungsproblemen genutzt werden kann.

Der programmierbare Quantenrechner muss hinsichtlich der Anzahl der Qubits und ihrer Störanfälligkeit noch um zwei bis drei Größenordnungen verbessert werden. Der Durchbruch wird aber in spätestens zehn Jahren erfolgen und die Kryptografie und die Datenanalyse revolutionieren. Auch hier steht der Beweis der praktischen Überlegenheit bisher noch aus.

Abbildung: Die „Quantenüberlegenheit“

Die angesprochenen technischen Probleme, wie die aufwändige Kühlung, könnten in naher Zukunft durch die Entwicklung neuartiger Qubits auf Basis topologischer Materialien, einer Art „Material-Cousins“ der Hochtemperatursupraleiter, gelöst werden. Diese topologischen Qubits werden möglicherweise sogar bei Raumtemperatur funktionieren, deutlich weniger fehleranfällig sein und eine jeweils lange Lebensdauer der Quantenzustände (Kohärenzzeiten) ermöglichen.

Wenn man sich die gegenwärtig diskutierten Einsatzszenarien für QC ansieht, gibt es interessanterweise Überschneidungen mit den Einsatzmöglichkeiten der KI bei vielem, was mit Erkennung und Vorhersage zu tun hat. Hier muss man sehen, ob QC und KI konkurrieren, oder ob sich – wie durch den Einsatz von QC im Deep Learning – Synergien ergeben werden.

Die ersten Spiele für QC wurden ebenfalls bereits programmiert. Eines davon heißt passenderweise „Schiffe (fast) versenken“. Da Spiele bekanntlich ein großer Treiber der Computerindustrie waren und sind, ist zu erwarten, dass in nicht allzu ferner Zukunft auch QPUs in den Laptops verbaut werden.

Um diese Spiele zu spielen oder um diese Quantencomputer generell zu nutzen, sind im Übrigen keine großartigen Kenntnisse der Quantenmechanik nötig. Schon jetzt erlauben die Softwareentwicklungswerkzeuge auf den Quantum-Computing-Plattformen, Probleme in wenigen Zeilen Python-Code zusammenzufassen und innerhalb von Sekunden oder Minuten im QC abarbeiten zu lassen. Genauso wie man sich heute nur noch wenige Gedanken darüber macht, was in der CPU und seinen Gattern mit den Bits passiert, wenn man einen Button drückt, wird man in wenigen Jahren beim Klicken des „Suchen“-Buttons nicht daran denken, dass man gerade die QPU in seinem Laptop oder in einer Cloud nutzt.

Also: keine Angst und keine Scheu vor dem Quantencomputing – Quantencomputer sind schon heute verfügbar, die Benutzung ist einfacher als gedacht und der Nutzen für Ihre neuen digitalen Services kann schon jetzt immens sein!

Comments

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IBM and Fraunhofer-Gesellschaft just announced to partner in the area of quantum computing with the goal of advancing the research and experimentation in Germany, see https://newsroom.ibm.com/2019-09-10-IBM-and-Fraunhofer-Join-Forces-on-Quantum-Computing-Initiative-for-Germany
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Joerg
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I have red about recently, too. But the point is, we have to make the business aware what there is dawning. The impacts will be comparable to those of AI!
Nickname: 
Andreas