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Quantencomputing

Die nächste Generation der Computertechnologie

Das Aufkommen des Quantencomputings stellt die nächste große technologische Transformation dar, die umfassende wirtschaftliche und soziale Veränderungen nach sich ziehen wird. Hier eine kurze Einführung in die Erwartungen an die Technologie.

Die nächste Generation der Computertechnologie

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

Während die klassische Datenverarbeitung auf dem Bit, ihrer Grundeinheit, basiert, basiert die Quantendatenverarbeitung auf dem Qubit – oder einem beliebigen Wert zwischen Qubits oder einer beliebigen Kombination davon.

Während ein Bit gemäß einer Binärlogik existiert – es ist entweder 0 oder 1, aus oder an – kann ein Qubit gleichzeitig im Zustand 0 und im Zustand 1 existieren, ein Phänomen, das als „Superposition“ bekannt ist.

„Verschränkung“ ist ein weiteres fundamentales Phänomen, das der Quantenchemie ihre Kraft verleiht. Wenn zwei oder mehr Qubits verschränkt sind, verhalten sie sich wie ein einziges System, ähnlich wie Zahnräder in einem Getriebe, sodass eine Änderung an einem Qubit alle anderen Qubits verändert, mit denen es verschränkt ist. Das bedeutet, dass eine einzelne Operation gleichzeitig die Zustände vieler Qubits beeinflussen kann.

Das Ergebnis ist eine verblüffend leistungsfähigere neue Art des Rechnens.

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

Computer, die exponentiell leistungsfähiger sind

Ein Quantencomputer kann ein Problem lösen, für das ein Cluster aus 512 GPUserforderlich wäre.

Die Quantencomputertechnologie hat das Potenzial, Probleme zu lösen, die um ein Vielfaches komplexer sind als jene, die mit klassischen Computermethoden gelöst werden können.

Ein Quantencomputer mit 1000 Qubits (dessen Fertigstellung in 2-3 Jahren erwartet wird) wäre in der Lage, gleichzeitig mit 10³⁰¹ (das ist eine 1 gefolgt von 301 Nullen) verschiedenen sogenannten „Informationszuständen“ zu arbeiten.

Ein „Zustand“ bezeichnet in diesem Zusammenhang eine mögliche Lösung für ein gegebenes Problem. Die meisten möglichen Lösungen werden falsch sein, daher gilt: Je mehr Zustände wir untersuchen 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 Flugplan zu erstellen, der den Treibstoffverbrauch minimiert und gleichzeitig sicherstellt, dass alle Passagierpläne eingehalten werden.

Sie werden in 2-5 Jahren erste kommerzielle Auswirkungen haben.

 

Gate-basierte Quantencomputer sind universell einsetzbar, was bedeutet, dass sie in der Lage sein werden, eine breite Palette von Problemen zu lösen. Zukünftig wird ein Pharmaunternehmen ein solches Gerät verwenden, um neue Wirkstoffe zu simulieren und die Wirkungen von Millionen von ihnen zu erforschen, ohne sie synthetisieren und testen zu müssen.

Sie werden in 7-10 Jahren einen kommerziellen Einfluss ausüben.

Quantentechnologien

Supraleitende Qubits

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

Quantennetzwerke

Quantennetzwerke ermöglichen die Übertragung quantenverschränkter Informationen über Kommunikationskanäle. Sie gehören zu den Schlüsseltechnologien hinter QKD und ermöglichen sowohl eine verbesserte Sicherheit als auch eine höhere Bandbreite.

Quantenschlüsselverteilung (QKD)

Eine sichere Kommunikationsmethode, die ein kryptographisches Protokoll implementiert, das Komponenten der Quantenmechanik beinhaltet. Es ermöglicht zwei Parteien, einen gemeinsamen, zufällig generierten geheimen Schlüssel zu erzeugen, der nur ihnen bekannt ist und mit dem dann Nachrichten verschlüsselt und entschlüsselt werden können. Es verspricht, immun gegen Ausspähen oder „Man-in-the-Middle“-Angriffe zu sein.

Quantensensor

Ein Gerät, das durch die Erkennung von Schwankungen in der Mikrogravitation unter Anwendung der Prinzipien der Quantenphysik funktioniert, welche auf der Manipulation der Natur auf submolekularer Ebene basiert. Die Quantensensorik nutzt quantenmechanische Eigenschaften wie Quantenverschränkung, Quanteninterferenz und Quantenzustandsquetschung, um die aktuellen Grenzen der Sensortechnologie zu überwinden und das Unschärfeprinzip zu umgehen.

Quantenionen-Qubits

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

Glüharchitekturen

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

Torarchitekturen

Gate-Architekturen nutzen das Quantenäquivalent der Logikgatter, die als Bausteine von siliziumbasierten Zentralprozessoren dienen. Angesichts dieser Tatsache kann ein gatterbasierter Quantencomputer zumindest theoretisch die gleichen Probleme lösen wie ein herkömmlicher Computer.

Photonik

Photonische Systeme nutzen Lichtimpulse und Lichtpolarisation zur Erzeugung ihrer Qubits. Im Gegensatz zu den meisten anderen Qubit-Technologien haben sie den Vorteil, bei Raumtemperatur zu funktionieren, arbeiten aber tendenziell viel langsamer als supraleitende Qubits. Xanadu ist das führende Unternehmen, das einen photonischen Ansatz für die Quantenkontrolle verfolgt.

Post-Quanten-Kryptographie (PQC)

Post-Quanten-Kryptographie ist der Sammelbegriff für neue Public-Key-Verschlüsselungsverfahren, die gegenüber Quantencomputern resistent sind. Die Auswahl der PQC-Algorithmen wird vom National Institute of Standards and Technology (NIST) gesteuert. Die meisten großen Organisationen folgen dem Beispiel des NIST.

Quantencomputing in der Cloud

Hardware

In der Regel besitzen Unternehmen, die eine Qualitätskontrolle benötigen, keine eigenen Computer. Die Idee von Quantencomputern vor Ort ist derzeit aus einer Reihe wichtiger Gründe nicht praktikabel:

  • Quantengeräte sind teuer
  • Ihr Betrieb ist komplex und daher teuer.
  • Angesichts der Häufigkeit, mit der Quantengeräte von ihren Herstellern aktualisiert werden, würde ein einzelnes Gerät schnell veralten.

Stattdessen greifen Endnutzer von Quantencomputern über Cloud-Dienste darauf zu.

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

Vor- und Nachteile der beiden Ansätze

Proprietäre Cloud

Bei diesem Ansatz bieten die Anbieter über ihre eigenen Cloud-Dienste Zugriff auf ihre eigenen QC-Geräte. IBM ist das wichtigste Unternehmen, das diesen Ansatz verfolgt 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 ein Vorteil für Anwendungen mit geringer Latenz (wie z. B. Betrugserkennung) sein wird.

Schwächen

Begrenzte Auswahl an Backend-Optionen für Quantencomputer

Potenzial für restriktivere Geschäftsmodelle

Gefahr der Anbieterabhängigkeit

Öffentliche Cloud

Bei diesem Ansatz ermöglichen führende Cloud-Dienste den Zugriff auf QC-Geräte von Drittanbietern. Amazon Braket bietet beispielsweise Zugang zu 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 bestehenden Zugriffs- und Abrechnungsdienste des Cloud-Anbieters sowie ähnliche gemeinsam genutzte Dienste.

Bietet einen einfachen Einstieg in den Zugang zu Quantencomputern, typischerweise mit einem „Pay-as-you-go“-Modell.

Bietet Zugang zu einer Vielzahl von Quantencomputern und ermöglicht so den Vergleich verschiedener Plattformen und die Identifizierung des geeigneten Geräts für das jeweilige Problem.

Schwächen

Tendenz zu höherer Latenz beim Zugriff auf das Quantengerät aufgrund von Netzwerkumläufen und Warteschlangen.

Dies wiederum führt zu Problemen bei Anwendungen wie Betrugserkennung und Hochfrequenzhandel, die Echtzeit- oder geringe Latenzanforderungen stellen, sodass solche Anwendungen unter Umständen nicht praktikabel sind.

 

 

Zukünftig könnten Cloud-Anbieter Quantengeräte in ihren Rechenzentren neben ihrer herkömmlichen CPU- und GPU-Hardware hosten und so Latenzeffekte minimieren. Dies würde eine neue Klasse von Quanten-Klassik-Hybridanwendungen mit hohem Durchsatz und niedriger Latenz ermöglichen, wie beispielsweise Betrugserkennung und Hochfrequenzhandel.

Software/APIs

APIs und zugehörige SDKs sind in der Regel Open Source und, bis auf wenige 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 beispielsweise IonQ, haben sich dafür entschieden, die APIs anderer Anbieter zu unterstützen, anstatt eigene proprietäre APIs zu entwickeln. IonQ unterstützt beispielsweise Qiskit von IBM und Cirq. Dieser Ansatz ermöglicht es beispielsweise, Quantenalgorithmen, die in Qiskit für eine IBM-Quantenmaschine geschrieben wurden, einfacher auf ein IonQ-Gerät zu portieren.

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

Anwendungen im Finanzdienstleistungssektor

Im Bestreben, eine Führungsrolle im Bereich der Qualitätssicherung zu übernehmen, werden Finanzinstitute wahrscheinlich feststellen, dass die Entwicklung und Bindung von Fähigkeiten und Talenten zu einem zentralen Schlachtfeld wird. Führende Unternehmen bei der Anwendung von Quantentechnologien werden eine deutliche Steigerung ihrer Sicherheit, betrieblichen Effizienz und Produkteffektivität erleben, während Nachzügler einen Rückgang dieser Aspekte ihres Geschäfts hinnehmen müssen.

Auch wenn wir nicht erwarten, dass Quantencomputer in den nächsten 10 bis 12 Jahren leistungsstark genug sein werden, um die heutigen PKI-basierten Kryptosysteme zu entschlüsseln, ist noch viel Arbeit nötig, um sie auf die Abwehr von Quantenbedrohungen vorzubereiten.

Eine katalysierende Wirkung in anderen Sektoren

QC hat potenziell transformative Anwendungsmöglichkeiten in einer Reihe anderer Bereiche.

Wirkstoffforschung

Quantencomputing wird den Prozess der Wirkstoffforschung verbessern, indem es die Identifizierung und Simulation von Molekülen beschleunigt. Dadurch werden Experimente von Nasslaboren auf Computer verlagert, und Forscher erhalten Zugang zu chemischen Kombinationen, deren Entwicklung mit herkömmlichen Computern Jahrzehnte dauern würde.

Cybersicherheit

Quantencomputer bedrohen das Sicherheitsrückgrat der heutigen Netzwerke – die RSA-Public-Key-Kryptographie. Die Quantentechnologie wird aber auch neue und noch sicherere Kommunikationsformen ermöglichen.

Logistik

QC wird unsere Lieferketten transformieren, indem es beispiellos komplexe Datenmengen verarbeitet, die sich auf Produktionskapazitäten, Geografie und Infrastruktur, Wettermuster, Routenplanung, Kapazitäten von Schienen- und Schifffahrtswegen und vieles mehr beziehen.

Automobil

QC wird sich einem tragfähigen Ökosystem für autonome Fahrzeuge annähern. Quantenbasierte KI und maschinelles Lernen werden den Lernprozess der notwendigen Algorithmen beschleunigen. Bildklassifizierung und 3D-Objekterkennung werden ebenfalls von der Qualitätskontrolle profitieren.

Simulation

QC wird neue Möglichkeiten bei der Modellierung der Realität bieten. Wir werden extreme Wetterereignisse besser vorhersehen, den Klimawandel besser erfassen, prognostizieren können, wie sich die städtische Entwicklung auf die Emissionen auswirkt, das Bevölkerungswachstum prognostizieren können – und vieles mehr.

Mit zunehmender Verbreitung von QC werden wir natürlich Anwendungsfälle in zahlreichen Branchen sehen.

NEUE TECHNOLOGIEN

Die Spieler in QC im Moment

Eine Vielzahl von Hardwareanbietern entwickelt ihre eigenen Quantencomputer, indem sie verschiedene physikalische Phänomene nutzen und sowohl universelle, gatterbasierte Ansätze als auch den Quanten-Annealing-Ansatz einsetzen. Dazu gehören:

Neben den Hardwareanbietern, von denen jeder typischerweise seine eigenen Softwarebibliotheken anbietet (z. B. IBM qiskit, D-Wave Ocean, Google Cirq), gibt es auch eine Reihe von reinen Quantensoftwareanbietern. Darunter:

Wachstum des QC-Marktes

2016

89 Mio. US-Dollar

globaler Markt für Quantencomputer

2025

949 Mio. US-Dollar

globaler Markt für Quantencomputer (Prognose)

30 % jährliches Wachstum von 2017 bis 2025

Großes Potenzial liegt vor uns

Quantencomputer werden für bestimmte Aufgaben geeignet sein. In naher Zukunft werden Quantencomputer hervorragende Leistungen bei der Lösung komplexer numerischer Probleme erbringen und neben bestehenden klassischen Computern existieren, um quantenklassische Hybridsysteme zu ermöglichen. Hybridität ist wichtig, denn während klassische Computer eindeutige Ergebnisse liefern, liefern Quantencomputer Ergebnisse in Form von Wahrscheinlichkeitsverteilungen und erzeugen so Antwortmengen, die dann gegebenenfalls mit Hilfe klassischer Computer weiter eingegrenzt werden müssen. Weiter in der Zukunft hat QC das Potenzial, einen tiefgreifenden Wandel herbeizuführen. Es wird in bestimmten Bereichen enorme Verbesserungen bringen und uns die Mittel geben, um revolutionäre neue Medikamente zu entwickeln, die Funktionsweise unserer Finanzmärkte zu optimieren, unsere Netzwerke zu sichern, komplexe Systeme zu verstehen, von den Ökosystemen der Erde bis hin zu globalen Angebots- und Nachfragenetzwerken – und vieles mehr. Was die maximalen Auswirkungen angeht, ist alles möglich. Auf sozialer und wirtschaftlicher Ebene stehen bedeutende Veränderungen bevor: Genau wie das klassische Computing wird die Quantencomputertechnologie unser Leben grundlegend verändern. Doch die Geschichte muss noch geschrieben werden, und die nächsten Jahrzehnte werden zeigen, was unsere besten Köpfe mit diesem mächtigen neuen Werkzeug anfangen können.