Zum Hauptinhalt wechseln

Signale

Quantencomputing

Die nächste Generation der Computertechnologie

Das Aufkommen des Quantencomputings stellt die nächste große technologische Transformation dar, die umfassende wirtschaftliche und gesellschaftliche Veränderungen vorantreibt. Hier ist eine kurze Einführung in das, was von der Technologie erwartet wird.

Die nächste Generation der Computertechnologie

Quantencomputing (QC) ist die nächste Generation der Computertechnologie, die sich die Quantenphysik zunutze macht.

Während sich das klassische Computing auf das Bit, seine Grundeinheit, stützt, beruht das Quantencomputing auf dem Qubit – oder einem beliebigen Wert zwischen Qubits oder einer beliebigen Kombination davon.

Während ein Bit nach einer binären Logik existiert – es ist entweder 0 oder 1, aus oder an –, kann ein Qubit gleichzeitig im Zustand 0 und im Zustand 1 existieren, was als "Superposition" bekannt ist.

"Verschränkung" ist ein weiteres grundlegendes Phänomen, das der QC ihre Macht verleiht. Wenn zwei oder mehr Qubits verschränkt sind, verhalten sie sich wie ein einziges System, ähnlich wie Zahnräder, die in einem Getriebe verstrickt sind, so dass eine Änderung an einem Qubit alle anderen verändert, mit denen es verschränkt ist. Das bedeutet, dass ein einzelner Vorgang gleichzeitig die Zustände vieler Qubits beeinflussen kann.

Das Ergebnis ist eine erstaunlich leistungsfähigere neue Art des Computings.

Bis 2030 könnte es weltweit zwischen 2.000 und 5.000 Quantencomputer geben. Im Jahr 2018 waren es weniger als ein Dutzend.

Computer, die exponentiell leistungsfähiger sind

1 Quantencomputer kann ein Problem lösen, für das ein Cluster von 512 GPUserforderlich wäre

QC hat das Potenzial, Probleme zu lösen, die exponentiell komplexer sind als die, die mit klassischem Computing gelöst werden können.

Ein 1.000-Qubit-Quantencomputer (der voraussichtlich in 2-3 Jahren auf den Markt kommen wird) wäre in der Lage, mit 10³⁰¹ (das ist eine 1 gefolgt von 301 Nullen) verschiedenen sogenannten "Informationszuständen" gleichzeitig zu arbeiten.

Ein "Zustand" meint in diesem Zusammenhang eine mögliche Lösung für ein gegebenes Problem. Die meisten möglichen Lösungen werden falsch sein, also je mehr Staaten wir erforschen können, desto besser sind unsere Chancen, die beste Lösung zu finden.

Zwei Architekturen, zwei Zeitrahmen

Quanten-Annealer sind auf Optimierungsaufgaben spezialisiert. Eine Fluggesellschaft könnte einen solchen Computer verwenden, um einen optimalen Zeitplan für Flugzeugrouten zu erstellen, der den Treibstoffverbrauch minimiert und gleichzeitig sicherstellt, dass alle Passagierpläne eingehalten werden.

Sie werden in 2-5 Jahrenbeginnen, eine kommerzielle Wirkung zu erzielen

 

Gate-basierte Quantencomputer sind universell, was bedeutet, dass sie in der Lage sein werden, eine Vielzahl von Problemen zu berechnen. In Zukunft wird ein Pharmaunternehmen damit neue Wirkstoffe simulieren und die Wirkung von Millionen von ihnen erforschen, ohne sie synthetisieren und testen zu müssen.

Sie werden in 7-10 Jahrenbeginnen, einen kommerziellen Einfluss zu haben

Quantentechnologien

Supraleitende Qubits

Eine der führenden Technologieplattformen für die Entwicklung von Quantencomputern. IBM, Google, D-Wave und andere setzen es ein. Supraleitende Systeme arbeiten in der Regel bei sehr niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, um die richtigen Bedingungen für Quantenberechnungen zu schaffen.

Quanten-Netzwerke

Quantennetzwerke ermöglichen die Übertragung von quantenverschränkten Informationen über Kommunikationskanäle. Sie sind eine der grundlegenden Technologien hinter QKD und ermöglichen sowohl eine verbesserte Sicherheit als auch eine höhere Bandbreite.

Quantenschlüsselverteilung (QKD)

Ein sicheres Kommunikationsverfahren, das ein kryptographisches Protokoll implementiert, an dem Komponenten der Quantenmechanik beteiligt sind. Er ermöglicht es zwei Parteien, einen gemeinsamen zufälligen geheimen Schlüssel zu erzeugen, der nur ihnen bekannt ist, einen Schlüssel, der dann zum Verschlüsseln und Entschlüsseln von Nachrichten verwendet werden kann. Es verspricht, unverwundbar gegen Schnüffel- oder "Man-in-the-Middle"-Angriffe zu sein.

Quanten-Sensor

Ein Gerät, das Variationen in der Schwerelosigkeit nach den Prinzipien der Quantenphysik erkennt, die auf der Manipulation der Natur auf submolekularer Ebene basiert. Die Quantensensorik nutzt quantenmechanische Eigenschaften wie Quantenverschränkung, Quanteninterferenz und Quantenzustandsquetschung, um aktuelle Grenzen in der Sensorik zu überschreiten und die Unschärferelation zu umgehen.

Quantenionen-Qubits

Quantenionenfallen sind eine weitere Technologieplattform, die bei der Entwicklung von Quantencomputern eingesetzt wird. Dabei wird die elektromagnetische Kraft genutzt, um Ionen im freien Raum einzuschließen. lonQ ist der führende Befürworter dieses Ansatzes.

Annealing-Architekturen

Eine Annealing-Architektur ist einfacher und basiert auf der Idee, den niedrigsten Energiezustand im Quantensystem zu finden. Dieser niedrigste Energiezustand entspricht der optimalen Lösung eines Optimierungsproblems.

Gate-Architekturen

Gatterarchitekturen verwenden das Quantenäquivalent der Logikgatter, die als Bausteine für siliziumbasierte Zentraleinheiten dienen. Angesichts dieser Tatsache kann ein Gate-basierter Quantencomputer, zumindest theoretisch, die gleichen Probleme berechnen wie ein herkömmlicher Computer.

Photonik

Photonische Systeme sind auf Lichtpulse und Lichtpolarisation angewiesen, um ihre Qubits zu erzeugen. Im Gegensatz zu den meisten anderen Qubit-Technologien haben sie den Vorteil, dass sie bei Raumtemperatur arbeiten, aber sie arbeiten tendenziell viel langsamer als supraleitende Qubits. Xanadu ist das führende Unternehmen, das einen photonisch basierten Ansatz für die Qualitätskontrolle verfolgt.

Post-Quanten-Kryptographie (PQC)

Post-Quanten-Kryptographie ist der Sammelbegriff für neue Public-Key-Verschlüsselungsansätze, die resistent gegen Quantencomputer sind. Der Prozess der Auswahl von PQC-Algorithmen wird vom National Institute of Standards and Technology (NIST) verwaltet. Die meisten großen Unternehmen folgen dem Beispiel von NIST.

Quantencomputing in der Cloud

Hardware

In der Regel besitzen Unternehmen, die QC benötigen, keine eigenen Computer. Die Idee von lokalen Quantencomputern ist derzeit aus einer Reihe von wichtigen Gründen nicht praktikabel:

  • Quantengeräte sind teuer
  • Ihr Betrieb ist komplex und daher teuer
  • Wenn man bedenkt, wie oft Quantengeräte von ihren Herstellern Upgrades erhalten, würde ein einzelnes Gerät schnell veraltet sein

Stattdessen greifen Endnutzer von Quantencomputern über Cloud-Dienste auf diese zu.

Derzeit gibt es zwei Ansätze für die Cloud-Bereitstellung von QC:

Vor- und Nachteile der beiden Ansätze

Proprietäre Cloud

Bei diesem Ansatz bieten Anbieter über ihre eigenen Cloud-Dienste den Zugriff auf ihre eigenen QC-Geräte an. IBM ist das wichtigste Unternehmen, das diesem Ansatz folgt und QC über sein IBM Q Network anbietet.

Stärken

Engere Integration zwischen der bestehenden Cloud-Plattform des Anbieters und der Quantenplattform Reduzierte Netzwerklatenz zwischen einer klassischen Cloud-Plattform und der Quantenplattform, was für Anwendungen mit geringer Latenz (z. B. Betrugserkennung) von Vorteil sein wird

Schwächen

Begrenzte Auswahl an Quantencomputing-Backend-Optionen

Potenzial für restriktivere Geschäftsmodelle

Gefahr des Vendor Lock-in

Öffentliche Cloud

Bei diesem Ansatz bieten führende Cloud-Dienste Zugriff auf die QC-Geräte von Drittanbietern. Amazon Braket bietet beispielsweise Zugriff auf D-Wave, rigetti, Oxford Quantum Circuits, IonQ und Xanadu, weitere sind in Planung. Microsoft Azure Quantum bietet Zugriff auf Quantinuum, IonQ, Quantum Circuits Inc, rigetti, PASQAL, 1QBit, Microsoft QIO und Toshiba SQBM+.

Stärken

Nutzt die vorhandenen Zugriffs- und Abrechnungsdienste des Cloud-Anbieters sowie ähnliche gemeinsam genutzte Dienste

Bietet einen einfachen Einstieg in den Zugang zu Quantencomputern, in der Regel mit einem "Pay-as-you-go"-Modell

Bietet Zugang zu einer Vielzahl von Quantencomputern, die den Vergleich zwischen Plattformen und die Identifizierung des geeigneten Geräts für das jeweilige Problem ermöglichen

Schwächen

Tendenz zu höherer Latenz beim Zugriff auf das Quantengerät aufgrund von Netzwerk-Roundtrips und Warteschlangen

Dies wiederum führt zu Problemen bei Anwendungen wie Betrugserkennung und Hochfrequenzhandel, die Anforderungen an Echtzeit oder niedrige Latenzzeiten stellen, bis zu dem Punkt, an dem solche Anwendungen möglicherweise nicht praktikabel sind

 

 

In Zukunft könnten Cloud-Anbieter Quantengeräte in ihren Rechenzentren neben ihrer traditionellen CPU- und GPU-Hardware hosten, um Latenzeffekte zu minimieren und eine neue Klasse von quantenklassischen Hybridanwendungen mit hohem Durchsatz und geringer Latenz zu ermöglichen, wie z. B. Betrugserkennung und Hochfrequenzhandel.

Software/APIs

APIs und zugehörige SDKs sind in der Regel Open Source und mit wenigen Ausnahmen in der Programmiersprache Python geschrieben.

Jeder führende QC-Anbieter stellt in der Regel seine eigenen APIs zur Unterstützung seiner Geräte oder Dienste bereit.

Einige Anbieter, wie z. B. IonQ, haben sich entschieden, die APIs anderer Anbieter zu unterstützen, anstatt ihre eigenen proprietären APIs zu entwickeln. IonQ unterstützt beispielsweise Qiskit von IBM und Cirq. Dieser Ansatz ermöglicht es, Quantenalgorithmen, die in Qiskit für eine IBM-Quantenmaschine geschrieben wurden, einfacher zu portieren, um auf einem IonQ-Gerät ausgeführt zu werden.

In Zukunft wird es eine kleine Anzahl standardisierter APIs geben, die von den großen Technologie-/Cloud-Anbietern (IBM/Amazon/Microsoft) bereitgestellt oder vorgeschrieben werden und auf denen Anbieter von Quantencomputing-Hardware aufbauen werden.

Anwendungen in der Finanzdienstleistungsbranche

Im Streben nach der Führungsposition im Bereich Qualitätskontrolle werden Finanzinstitute wahrscheinlich feststellen, dass die Entwicklung und Bindung von Fähigkeiten und Talenten zu einem zentralen Kampffeld wird. Bei den Vorreitern in der Anwendung von Quantentechnologien werden sich die Sicherheit, Betriebseffizienz und Produkteffektivität deutlich verbessern, während bei den Nachzüglern in diesen Bereichen eine Verschlechterung des Geschäfts zu erwarten ist.

Wir gehen zwar nicht davon aus, dass Quantencomputer in den nächsten 10 bis 12 Jahren leistungsfähig genug sind, um die heutigen PKI-basierten Kryptosysteme zu entschlüsseln, aber es gibt noch viel zu tun, um sie auf die Abwehr von Quantenbedrohungen vorzubereiten.

Katalysatorwirkung in anderen Branchen

QC hat potenziell transformative Anwendungen in einer Reihe anderer Bereiche.

Wirkstoffforschung

Quantencomputing wird den Prozess der Wirkstoffforschung verbessern, indem es die Identifizierung und Simulation von Molekülen beschleunigt. Es wird Experimente von Nasslabors auf Computer verlagern, und Forscher werden Zugang zu chemischen Kombinationen haben, für deren Entwicklung herkömmliche Computer Jahrzehnte benötigen würden.

Cybersicherheit

Quantencomputer bedrohen das Sicherheitsrückgrat heutiger Netzwerke – die RSA-Public-Key-Kryptografie. Die Quantentechnologie wird aber auch neue und noch sicherere Formen der Kommunikation ermöglichen.

Logistik

QC wird unsere Lieferketten transformieren, indem es beispiellos komplexe Datenmengen in Bezug auf Produktionskapazitäten, Geografie und Infrastruktur, Wettermuster, Routing, Schienen- und Schifffahrtskapazität und darüber hinaus verarbeitet.

Selbstfahrend

QC wird einem tragfähigen Ökosystem für autonome Fahrzeuge näher kommen. Quantengestützte KI und maschinelles Lernen werden den Lernprozess notwendiger Algorithmen beschleunigen. Auch die Bildklassifizierung und die 3D-Objektspeicherung werden von der Qualitätskontrolle profitieren.

Simulation

QC wird neue Möglichkeiten bei der Modellierung der Realität bieten. Wir können extreme Wetterereignisse besser vorhersehen, den Klimawandel kartografieren, vorhersagen, wie sich die Stadtentwicklung auf die Emissionen auswirken wird, das Bevölkerungswachstum prognostizieren – und vieles mehr.

Wenn die Qualitätskontrolle an Bedeutung gewinnt, werden wir natürlich Anwendungsfälle in zahlreichen Sektoren sehen.

AUFSTREBENDE TECHNOLOGIEN

Die Spieler in QC im Moment

Eine Vielzahl von Hardware-Anbietern entwickelt ihre eigenen Quantencomputer, die eine Reihe unterschiedlicher zugrunde liegender physikalischer Phänomene nutzen und sowohl universelle, gatterbasierte Ansätze als auch den Quanten-Annealing-Ansatz einsetzen. Dazu gehören:

Neben Hardware-Anbietern, von denen jeder in der Regel seine eigenen Softwarebibliotheken anbietet (z. B. IBM qiskit, D-Wave Ocean, Google Cirq), gibt es auch eine Reihe von reinen Anbietern von Quantensoftware. Unter ihnen:

Wachstum des QC-Marktes

2016

89 Mio. $

Globaler Markt für Quantencomputing

2025

949 Mio. $

Globaler Markt für Quantencomputing (projiziert)

30 % CAGR von 2017 bis 2025

Großes Potenzial in der Zukunft

Quantencomputer werden für bestimmte Aufgaben geeignet sein. In naher Zukunft werden sich Quantencomputer durch die Lösung komplexer numerischer Probleme auszeichnen und mit bestehenden klassischen Computern koexistieren, um quantenklassische Hybridsysteme zu ermöglichen. Hybridität ist wichtig, denn während das klassische Computing Ergebnisse liefert, liefern Quantencomputer Ergebnisse in Wahrscheinlichkeitsverteilungen und generieren Sätze von Antworten, die dann möglicherweise mit klassischen Computern zerkleinert werden müssen. In der Zukunft hat QC das Potenzial, transformativ zu sein. Sie wird in bestimmten Bereichen enorme Verbesserungen bewirken und uns die Mittel geben, revolutionäre neue Medikamente zu entwickeln, die Funktionsweise unserer Finanzmärkte zu optimieren, unsere Netzwerke zu sichern, komplexe Systeme zu verstehen, von den Ökologien der Erde bis hin zu globalen Netzwerken von Angebot und Nachfrage – und vieles mehr. Was die maximale Wirkung betrifft, so ist der Horizont offen. Auf sozialer und wirtschaftlicher Ebene zeichnen sich signifikante Veränderungen ab: Genau wie das klassische Computing wird auch die QC unser Leben umfassend verändern. Aber die Geschichte muss noch geschrieben werden, und die nächsten Jahrzehnte werden Zeugnis davon ablegen, was unsere besten Köpfe mit diesem mächtigen neuen Werkzeug erreichen können.