Aktuelles zum Thema Quantencomputer

Die Quanteninformatik ist seit vielen Jahren ein Thema, wenngleich eher theoretischer Natur. Mittlerweile ist das Konzept so weit fortgeschritten, dass eine praktische Umsetzung bevorstehen k├Ânnte. Wenn das gel├Ąnge, dann k├Ânnten rechen- und speicherintensive Anwendungen in der Medizin, der Kryptographie oder Statistik wesentlich beschleunigt werden. Gegenw├Ąrtig wetteifern IBM, Google und Microsoft im Rennen um den Bau des ersten realen Quantencomputers. Wenn es gel├Ąnge, einen solchen zu bauen, dann w├╝rde er – sofern die theoretischen Vorhersagen eintreffen – die Leistungsf├Ąhigkeit jedes Supercomputers erheblich ├╝bertreffen. Auch China investiert Milliarden in die Forschung. Aber was ist Quanten-Computing? Wird der schn├Âde PC k├╝nftig ein Quantencomputer sein? Wie funktioniert es eigentlich?

Was ist ein Quantencomputer?

Ein Quantencomputer ist wie jeder andere Computer, der komplexe Berechnungen durchf├╝hrt; er verwendet jedoch quantenmechanische Prinzipien, um diese Berechnungen bei sehr hohen Geschwindigkeiten durchzuf├╝hren. Ein traditioneller Computer verwendet Bits, die nur 2 Zust├Ąnde kennen: 0 oder 1. Erst bei Zusammenfassung zu Registern wird eine hinreichend aussagef├Ąhige Datenmenge daraus.

Technologische Durchbr├╝che bringen wilde Mutma├čungen mit sich

Der technologische Fortschritt bringt Prognosen, Ideen und Gedanken ├╝ber die mittel- bis langfristige Zukunft mit sich. Diese Dynamik war in unserer Gesellschaft schon vielfach zu beobachten. Als die Computer in den 1980er Jahren in die B├╝ros kamen, wurde prognostiziert, dass zahlreiche Jobs verschwinden und Papier bald ├╝berfl├╝ssig werden w├╝rde. Bis weit in das 21. Jahrhundert hinein sind die Menschen weiterhin gezwungen zu arbeiten, und die Schreibtische bleiben mit Papierdokumenten ├╝bers├Ąt.

Vorhersagen heben h├Ąufig ein positives oder negatives Extrem hervor. Ja, Computer haben einige Rollen ├╝berfl├╝ssig gemacht, aber daf├╝r sind ganz neue Rollen in den Bereichen IT und Software entstanden. Der Papierverbrauch hat sich zwar deutlich reduziert, doch Papierk├Ârbe sind noch lange nicht aus unseren B├╝ros wegzudenken.

Etwas pragmatischer betrachtet: Welche Aufgaben werden Roboter also wirklich ├╝bernehmen?
 

Durch die menschen├Ąhnlichen F├Ąhigkeiten von Robotern sind unsere Arbeitspl├Ątze zunehmend bedroht

Bis heute ├╝bernehmen die meisten Roboter monotone Aufgaben. Sie wurden programmiert, um bestimmte Funktionen auszuf├╝hren, zum Beispiel das Kommissionieren und Platzieren von Komponenten oder das Lackieren der Karosserie eines Autos. Solche Aufgaben belasten Menschen entweder durch Erm├╝dung, schlechte Haltung w├Ąhrend der Arbeit oder potenzielle Sch├Ądigung der Atemwege. Roboter k├Ânnen diese Aufgaben unterbrechungsfrei und ├Ąu├čerst pr├Ązise ausf├╝hren, was zu einer h├Âheren Produktivit├Ąt und verbesserten Produktqualit├Ąt f├╝hrt.

Dank optimierter Wahrnehmung ÔÇô zum Beispiel durch Kraft-Moment-Sensoren ÔÇô k├Ânnen Roboter inzwischen Aufgaben bew├Ąltigen, die ÔÇ×Fingerspitzengef├╝hlÔÇť erfordern. So sind Roboter beispielsweise in der Lage, das Schleifen und Polieren von ungleichm├Ą├čigen Objekten zu ├╝bernehmen ÔÇô eine Aufgabe, die bisher ein erfahrener Bediener ├╝bernommen hat. In solchen Situationen gibt es definitiv Anlass zur Sorge, dass eine menschliche Arbeitskraft ersetzt wird.

Interferenz – Durch die Verwendung einer Quanteneigenschaft wie der Interferenz k├Ânnen die Quantenzust├Ąnde kontrolliert werden, indem jene Signale verst├Ąrkt werden, die mehr in Richtung der richtigen Antwort tendieren. Oder jene Signalen werden gel├Âscht, die in Richtung der falschen Antwort tendieren. Dies funktioniert ├Ąhnlich wie die Rauschunterdr├╝ckung bei einem Kopfh├Ârer, der die Wellenl├Ąngen der Umgebungswellen liest und dann die entgegengesetzte Welle erzeugt, um sie durch Interferenz auszul├Âschen. Wie wir wissen, kann man konstruktive Interferenz und dekonstruktive Interferenz erzeugen. Konstruktive Interferenz verst├Ąrkt die Wellenl├Ąnge, so dass das Signal gr├Â├čer wird, und bei dekonstruktiver Interferenz wird die Amplitude schw├Ącher. In der Quanteninformatik funktioniert dies genauso und erlaubt es, die Zust├Ąnde zu kontrollieren.

Die Kombination aller drei dieser Elemente macht einen Quantencomputer aus, der komplexe Berechnungen und extrem hohe Geschwindigkeiten ausf├╝hren kann.

Was sind die Herausforderungen des Quantencomputings?

Die Quanteninformatik steckt noch in den Kinderschuhen, aber es wird eine Menge gro├čartiger Forschung betrieben, um sie zur Praxisreife zu f├╝hren. Einer der gr├Â├čten Mythen, der sich um das Quantencomputing dreht, ist, dass das Hinzuf├╝gen von mehr Qubits einfach seine Kapazit├Ąt erh├Âhen wird. Das ist zwar richtig, aber es ist auch eine der gr├Â├čten Herausforderungen im Quantencomputing, da es nicht nur so einfach ist. Quantencomputer sind mit ihren hochpr├Ązisen Mikrowellen und der Arbeitstemperatur im Minusbereich au├čerordentlich komplexe Maschinen, die extrem empfindlich auf elektrische Strahlung oder Umwelteinfl├╝sse reagieren.

Eine weitere technische Herausforderung stellt die kurze Speicherdauer dar. Die Quanteninformation im Elementarteilchen ist recht fl├╝chtig. Also muss st├Ąndig neu berechnet werden, andernfalls f├Ąllt der ganze Prozess in sich zusammen.

Was sind die n├Ąchsten Schritte?

Wie geht es weiter mit dem Quantenrechner? Die derzeitigen Akteure m├╝ssen mit dem Aufbau abstrakter Schichten beginnen, um es Programmierern und Wissenschaftlern zu erleichtern, einfach hereinzukommen und mit dem Lernen, Forschen und Finden neuer Anwendungsbereiche f├╝r das Quantencomputing zu beginnen. Dies wird auch die Entwicklung neuer Quantenalgorithmen erfordern, an denen Forschungspartner arbeiten. Der Fortschritt wird auch mit dem exponentiellen Wachstum der Hardware und der Quantenprozessoren einhergehen und weitere Qubits hinzuf├╝gen.

Wer nutzt diese Technologie?

Quantencomputing hat das Potenzial, die k├╝nstliche Intelligenz und Industry 4.0 rasch zu beschleunigen. Google nutzt sie bereits zur Verbesserung selbstfahrender Autos sowie zur Modellierung komplexer chemischer Reaktionen. 

Hier finden Sie eine umfassende Liste potentieller Anwendungen des Quantencomputings: 
Cyber-Sicherheit

  • Arzneimittelforschung
  • Finanzmathemathik
  • Batterie-Entwicklung
  • D├╝ngewesen
  • Verkehrsflusssteuerung
  • Wettervorhersage und Klimawandel
  • K├╝nstliche Intelligenz
  • Solartechnologie
  • Elektronik


Daimler AG – Im Jahr 2018 k├╝ndigte die Daimler AG Partnerschaften mit Google und IBM zwecks Entwicklung bzw. Optimierung von Batteriezellen f├╝r die E-Mobilit├Ąt an. Quantencomputing kann helfen, die komplexen Prozesse der Zellsimulation und der Alterung von Batteriezellen zu simulieren. Verbesserte Batterien f├╝r Elektrofahrzeuge senken deren Kosten und verbessern die ├ľkobilanz des Gesamtsystems Elektroauto.

Daimler untersucht auch, wie das Quantencomputing die KI unterst├╝tzen kann, die Nutzung autonomer Fahrzeuge erm├Âglichen kann und  logistische Prozesse verfeinern und beschleunigen k├Ânnte. Damit tritt Daimler in die Fu├čstapfen von Volkswagen. Im Jahr 2017 k├╝ndigte VW eine Partnerschaft mit Google an, die sich auf ├Ąhnliche Initiativen konzentriert. Im Jahr 2018 schloss es sich auch mit D-Wave Systems zusammen. 

Volkswagen – D-Wave und VW haben bereits Pilotprogramme im Verkehrsbereich durchgef├╝hrt. Etwa die Verbesserung der Verkehrslenkung in Peking, Barcelona und, gerade k├╝rzlich, in Lissabon. In der portugiesischen Hauptstadt fuhr eine Busflotte auf verschiedenen Routen, die mit Hilfe eines Quantenalgorithmus, den VW nach jedem Testlauf weiter optimiert, auf Echtzeit-Verkehrsbedingungen zugeschnitten wurden. Laut Vern Brownell, CEO von D-Wave, bringt uns das Pilotprojekt des Unternehmens “der Realisierung echter, praktischer Quantencomputer n├Ąher als je zuvor”.

JP Morgan Chase – Es ist keine ├ťberraschung, dass einer der gr├Â├čten Finanzdienstleister an Quantencomputing interessiert ist. Schlie├člich ist der Finanzmarkt ├Ąhnlich wie die Quantenmechanik von unberechenbarer Unsch├Ąrfe gepr├Ągt. JP Morgan ist einer der Partner des Quantennetzwerks von Microsoft, zu dem Forschungsinstitute, Technologieunternehmen und Akteure aus der Wirtschaft geh├Âren. Quantencomputing und Finanzmodellierung weisen viele strukturelle ├ähnlichkeiten auf. Nun wurde das Monte-Carlo-Modell erforscht, das die Wahrscheinlichkeit verschiedener Ergebnisse misst und ihre Risiken bewertet.

Welche aktuellen Innovationen in der Quanteninformatik sind beachtenswert?

Die meisten der bisherigen Erfolge im Quantencomputing wurden in kontrollierten Settings erlangt. Quantenrechner hatten Probleme zu bearbeiten, deren L├Âsung bekannt war. Google behauptete vor kurzem, bereits die Quantenherrschaft erreicht zu haben, d.h. dort, wo ein Quantencomputer einen traditionellen Computer ├╝bertrifft. Google behauptete, dass sein 54-Qubit-Prozessor in der Lage war, eine Berechnung in 200 Sekunden durchzuf├╝hren, f├╝r die ein herk├Âmmlicher Computer normalerweise 10.000 Jahre gebraucht h├Ątte. IBM kritisierte diese Behauptung heftigst: denn die Berechnung auf einem Supercomputer h├Ątte nur 2,5 Tage gedauert, so IBM.

Die Forscher haben auch an der Entwicklung von Algorithmen wie Shor- oder Grover-Algorithmen gearbeitet, die von Quantencomputern verwendet werden sollen. Doch die Hauptarbeit steckt noch an den Ger├Ąten selbst. Es wird nun erwartet, dass die Innovation fortschreitet und exponentiell mit dem Rechenwert und den Hardware-Verbesserungen zunimmt, die alle 4 Jahre auf der Grundlage des Quanten├Ąquivalents zum Mooreschen Gesetz wachsen sollen. Das Ziel w├Ąre, die Rechenleistung zu haben, um die gew├╝nschten Quantenalgorithmen auszuf├╝hren. Anschliessend wird der Schwerpunkt auf der Quantenfehlerkorrektur liegen.

Ein Quantencomputer ist f├╝r Anwendungen gedacht, bei denen eine extrem grosse Zahl komplexer Berechnungen in k├╝rzester Zeit durchgef├╝hrt werden muss. Hingegen ist ein Quantencomputer kein Ersatz f├╝r den herk├Âmmlichen PC und wird es auch nie sein. F├╝r ├╝bliche B├╝ro-, Grafik-, Videoanwendungen und selbst f├╝r normale Server reichen Halbleiterrechner aus. Letztere kommen auch ohne eine teure K├╝hlung auf Minusgrade aus. Gleichwohl gibt es kleine Randsegmente, wo diese Rechenleistung sinnvoll eingesetzt werden kann. Die Zukunft wird spannend, und man wird mit Interesse beobachten, ob sich das Quantencomputing tats├Ąchlich durchsetzt..

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