Auch wenn der Quantenvorteil noch ein paar Jahre entfernt ist, hat die Technologie für bestimmte Klassen von Rechenproblemen eindeutige Vorteile. Wir erklären hier einige davon.
Das Quantencomputing, das lange Zeit als Science-Fiction galt, ist dank der raschen technologischen Fortschritte und der immer besser verfügbaren und erschwinglichen Zugangsmöglichkeiten auf dem besten Weg, für ausgewählte Branchen und bestimmte Anwendungen greifbare Vorteile zu bringen.
Im Gegensatz zum klassischen Rechnen, bei dem binäre Daten (0 und 1) sequentiell verarbeitet werden, stützt sich das Quantencomputing auf physikalische Prinzipien, um eine potenziell schnellere und effizientere Verarbeitung komplexer Probleme zu ermöglichen, von denen viele mit dem herkömmlichen Ansatz nicht lösbar sind. Das Herzstück der Quanteninformatik ist das Qubit, das 0, 1 oder beides darstellen kann. Qubits können in mehreren Zuständen gleichzeitig existieren – ein physikalisches Prinzip, das als Superposition bekannt ist. Qubits können auch verschränkt sein, das heißt sie sind in einem Quantenzustand untrennbar miteinander verbunden.
Beide Konzepte sind für den Hauptvorteil der Quanteninformatik von zentraler Bedeutung: die Fähigkeit, probabilistische Berechnungen auf eine Art und Weise durchzuführen, die sich grundlegend von den bekannten klassischen Methoden unterscheidet – und potenziell schneller, billiger und genauer ist. Laut Bob Sorensen, Chefanalyst für Quantencomputer bei Hyperion Research, wird das Versprechen von Quantencomputern für bestimmte Arten von Optimierungs- und Factoring-Berechnungen immer wichtiger, da die Erzielung ausreichender Leistungssteigerungen auf klassischen Computern immer komplizierter und damit teurer und schwieriger zu realisieren wird.
„Quantencomputer bieten beschleunigte Möglichkeiten für einige sehr wichtige, enge Klassen von Anwendungen“, sagt Sorensen. „Man kann eine größere Bandbreite an Genauigkeit erforschen und eine größere Anzahl von Variablen durch Superposition und Verschränkung untersuchen.
Abbildung 1: Die verschiedenen Arten, wie Quantencomputer Berechnungen durchführen können, sind der Schlüssel zu vielen ihrer Vorteile gegenüber herkömmlichen Computern.
Quantennutzen, noch kein Quantenvorteil
Die Kategorie ist noch relativ unausgereift, trotz bedeutender technologischer Fortschritte, auch in Bereichen wie Fehlertoleranz und Fehlerkorrektur, die die Genauigkeit und Zuverlässigkeit verbessern sollen. Es gab auch eine Welle von Start-ups und namhaften Anbietern, die Cloud-basierte Quantencomputing-Funktionen sowie Software, Toolkits und Plattformen für die Entwicklung, Simulation und Ausführung von Quantenalgorithmen eingeführt haben.
Durch diese stetigen Fortschritte wird die Realisierbarkeit des Quantencomputings für Anwendungen, die über rein experimentelle oder akademische Anwendungen hinausgehen, ein wenig in Frage gestellt. Derzeit gehen Experten davon aus, dass der mit Spannung erwartete Quantenvorteil, das heißt die Fähigkeit von Quantencomputern, Probleme zu lösen, die über die Möglichkeiten klassischer Computer hinausgehen, im Jahr 2030 erreicht wird – und zwar auf eine Art und Weise, die billiger, schneller oder genauer ist.
Die Quanteninformatik eröffnet die Möglichkeit, alle Probleme, die wir mit der klassischen Informatik nicht lösen können, auf eine andere Art und Weise zu betrachten.
Scott Crowder, VP Quantum Adoption, IBM
In der Zwischenzeit behaupten jedoch wichtige Akteure wie IBM, dass wir die Ära des Quantennutzens erreicht haben, in der ein Quantencomputer und Quantenalgorithmen bestimmte Probleme zuverlässig und genau lösen können, und zwar effizienter und effektiver, als dies mit herkömmlichen, klassischen Brute-Force-Rechnern möglich ist. Eine Gruppe von MIT-Forschern vertritt in Zusammenarbeit mit Accenture eine progressivere Sichtweise auf die Frage, wann Quantencomputer Vorteile bringen können. Als Teil des Rahmens, den sie zur Bewertung des Potenzials der Quanteninformatik verwenden, haben die Partner den Quantenvorteil-Benchmark eingeführt, um zu bestimmen, wann ein bestimmtes Problem mit einem Quantencomputer schneller gelöst werden kann als mit einer vergleichbar teuren klassischen Plattform.
„Es gibt einen Übergang, wann Quantencomputer oder klassische Computer schneller sind, und im Allgemeinen muss das Problem ausreichend groß sein, mit exponentiellen algorithmischen Gewinnen und großen Datensätzen“, erklärt Jayson Lynch, ein Forscher im FutureTech Lab am MIT. „Unternehmen müssen nicht nur ihren Anwendungsfall verstehen, sondern auch das Rechenproblem, das sie zu lösen versuchen.“
Die wichtigsten Vorteile des Quantencomputings
Es wird erwartet, dass das Quantencomputing bei der Weiterentwicklung dieser Kategorie nicht als direkter Ersatz für das klassische Computing dienen wird, sondern eher als ergänzende Option, die bei bestimmten Problemstellungen erhebliche, aber sehr spezifische Vorteile bietet. Hier sind vier der wichtigsten davon.
Simulation komplexer Systeme
Die Quantenmechanik eignet sich gut für die Modellierung von Prozessen und Systemen in der Natur, die mit den Beschränkungen klassischer Computermodelle nicht genau oder angemessen behandelt werden können. Bisher waren die Wissenschaftler auf physikalische Experimente, Labortests und begrenzte Simulationen angewiesen, um das Verhalten solcher Systeme zu erforschen. Die Neigung des Quantencomputers zur exponentiellen Modellierung und Berechnung verschafft ihm einen Vorsprung bei der Entdeckung und Simulation von Chemie, Materialeigenschaften und hochenergetischem Molekularverhalten.
„Viele natürliche Systeme und unglaublich dynamische Systeme sind mit einem klassischen Ansatz nur schwer oder gar nicht zu erfassen“, so Jeannette Garcia, Senior Research Manager für Quantenanwendungen und Software bei IBM. „Mit der Quantenphysik gibt es eine Menge von Stellknöpfen, an denen man aus rechnerischer Sicht drehen kann.“
Suche und Optimierung
Die Ermittlung optimaler Materialeigenschaften oder das Spielen eines groß angelegten Lieferkettenszenarios erfordert die Suche nach der besten Lösung unter endlosen Permutationen und möglichen Kombinationen. Das klassische Rechnen verfolgt einen linearen Ansatz, bei dem eine komplexe Berechnung nach der anderen ausgeführt wird, was angesichts der Vielzahl möglicher Variablen eine Einschränkung darstellt. Im Vergleich dazu kann das Quantencomputing viele Variablen gleichzeitig untersuchen, was die Bandbreite möglicher Antworten schnell einschränken kann.
„In jedem Unternehmen gibt es Optimierungsmöglichkeiten, sei es das Layout einer Fabrik, um Materialien effizienter zu transportieren, oder im Finanzdienstleistungssektor, um Kundengelder zu investieren“, so Sorenson von Hyperion. „Mit Quantencomputern erhält man heute nicht die perfekte Antwort, aber man erhält vielleicht eine bessere Lösung als mit einem klassischen Gegenstück, und das ist attraktiv.“
Klassifizierung und Erkennung von Anomalien
Die Fähigkeit des Quantencomputers, komplexe, multivariable Berechnungen gleichzeitig durchzuführen, verschafft ihm gewisse Geschwindigkeits- und Skalierungsvorteile beim Training von Algorithmen für maschinelles Lernen (ML) und künstliche Intelligenz (KI). Daher eignet sich das Quantencomputing hervorragend für die Erkennung von Anomalien, die für eine effiziente KI- und ML-Verarbeitung entscheidend ist. „Es gibt bestimmte Probleme in den Bereichen Optimierung und KI/ML, bei denen klassische Rechenalgorithmen Daten betrachten und Zufälligkeiten sehen, während Quantenalgorithmen Muster in scheinbar zufälligem Rauschen finden können“, erklärt Scott Crowder, Vice President of Quantum Adoption bei IBM.
Faktorisierung und Kryptographie
Der bekannteste Quantenalgorithmus wurde in den 1990er Jahren vom MIT-Mathematiker Peter Shor entwickelt, um große zusammengesetzte Zahlen effizienter zu faktorisieren. Obwohl kein existierendes Quantensystem diesen Algorithmus in großem Maßstab ausführen kann, ist er theoretisch in der Lage, weit verbreitete Verschlüsselungen zu knacken – und bleibt damit eines der besten Beispiele für einen potenziellen Quantenvorteil. Einige Unternehmen und Organisationen verwenden bereits so genannte Post-Quantum-Kryptografieverfahren (von denen das NIST mehrere standardisiert hat), um sensible Daten vor potenziellen Entschlüsselungsangriffen durch zukünftige Quantencomputer zu schützen.
Neue Horizonte im Visier
Auch wenn Quantencomputer nicht für jedes Problem eine Lösung bieten, so sollten ihre überzeugenden Vorteile IT-Führungskräfte doch dazu anregen, über diese Technologie nachzudenken und ihr aufgeschlossen gegenüberzustehen. „Quantencomputer bieten die Möglichkeit, all die Probleme, die wir mit klassischen Computern nicht lösen können, auf eine andere Art und Weise zu betrachten“, so Crowder.
