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Eine Brücke zum Quantencomputing – und wieso wir sie benötigen

Eine Brücke zum Quantencomputing – und wieso wir sie benötigen
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Das The­ma Quan­ten­com­pu­ting ist der­zeit in aller Mun­de und wird als der „Quan­ten­sprung“ im Com­pu­ting ange­prie­sen. Die­se Tech­no­lo­gie weist in der Tat ein enor­mes Poten­zi­al auf, ist aktu­ell jedoch noch in den Kin­der­schu­hen und weit ent­fernt von rea­len Ein­satz­mög­lich­kei­ten.

In mei­nem Bei­trag möch­te ich die­sen Hype etwas erden und auf­zei­gen, wel­che tech­ni­sche „Brü­cke“ es uns ermög­licht, bereits heu­te auf prak­ti­sche Vor­tei­le der Quan­ten­theo­rie zuzu­grei­fen.

Quantencomputing, eine (sehr) kurze Einführung

Bevor ich auf die­se „Brü­cke“ ein­ge­he, möch­te ich zunächst erklä­ren, wor­um es über­haupt geht. Beim Quan­ten­com­pu­ting selbst han­delt es sich um die nächs­te Genera­ti­on des Com­pu­ting. Es ist gut mög­lich, dass die­se Tech­no­lo­gie eines Tages 1 Mil­li­on, 10 Mil­lio­nen oder sogar 100 Mil­lio­nen Mal schnel­ler rech­net als alles, was wir bis­her ken­nen.

Jedoch sind die­se Zah­len bedeu­tungs­los ange­sichts der Fra­ge, die wir uns eigent­lich stel­len müs­sen: „Exis­tie­ren heut­zu­ta­ge über­haupt Pro­blem­stel­lun­gen, die so viel Rechen­leis­tung benö­ti­gen?“

Die Ant­wort lau­tet: Wir ken­nen nicht nur ver­ein­zel­te Anwen­dungs­fäl­le für die­se Rechen­leis­tung – sie sind zahl­reich, viel­fäl­tig und in allen Bran­chen ver­tre­ten.

Quan­ten­com­pu­ter haben bei­spiels­wei­se das Poten­zi­al, gro­ße Ver­än­de­run­gen im Bereich Mate­ri­al­de­sign zu bewir­ken. Mole­kü­le oder Ver­bin­dun­gen kön­nen nach genau­en Spe­zi­fi­ka­tio­nen und Anfor­de­run­gen designt wer­den. Doch je grö­ßer die Mole­kü­le wer­den, des­to rechen­in­ten­si­ver wird das zu lösen­de Pro­blem. Die Rechen­leis­tung tra­di­tio­nel­ler Com­pu­ter reicht da irgend­wann nicht mehr aus.

Auch in der Phar­ma­bran­che kann damit revo­lu­tio­niert wer­den, z.B. wenn es um die Behand­lung von Krank­hei­ten wie Krebs geht. Hier kann die rich­ti­ge Dosie­rung von Bestrah­lung in Echt­zeit über­wacht und immer wie­der neu berech­net wer­den.

Dr. Joseph Reger bei der hub.berlin

Ein Bereich, der uns in Deutsch­land beson­ders am Her­zen liegt ist die Fer­ti­gungs­in­dus­trie. Beson­ders die­se Bran­che kann unmit­tel­bar von der Com­pu­ter­tech­no­lo­gie der nächs­ten Genera­ti­on pro­fi­tie­ren. Dabei geht es dann längst nicht mehr um die Lösung theo­re­ti­scher, mathe­ma­ti­scher Her­aus­for­de­run­gen (wie bei­spiels­wei­se das klas­si­sche Pro­blem des Hand­lungs­rei­sen­den oder das Ruck­sack­pro­blem), son­dern um die Opti­mie­rung von Fer­ti­gungs­pro­zes­sen in nahe­zu Echt­zeit. Denn durch vie­le klei­ne Beschleu­ni­gun­gen und Effi­zi­enz­stei­ge­run­gen in den ein­zel­nen Arbeits- und Pro­zess­schrit­ten erge­ben sich kumu­liert erheb­li­che Vor­tei­le in Bezug auf Pro­duk­ti­ons­zeit und ‑kos­ten.

Nach­dem wir das Ziel ver­deut­licht haben, kön­nen wir nun auf die Tech­no­lo­gie ein­ge­hen, auf der die Lösung basiert. Dabei muss ich jetzt einen mehrse­mest­ri­gen Kurs über Quan­ten­phy­sik in weni­gen Sät­zen zusam­men­fas­sen. Der ers­te ent­schei­den­de Punkt, den es zu ver­ste­hen gilt, ist die Super­po­si­ti­on – die­ses Prin­zip ist maß­geb­lich ver­ant­wort­lich für die außer­or­dent­li­che Leis­tungs­fä­hig­keit von Quan­ten­com­pu­tern. Es ist die bizar­re Eigen­schaft von Quan­ten­ob­jek­ten, dass sie sich gleich­zei­tig in meh­re­ren klas­si­schen Zustän­den befin­den kön­nen. In der her­kömm­li­chen Daten­ver­ar­bei­tung kann die Ein­heit Bit ent­we­der den Wert 1 oder 0 haben. Quan­ten­bits hin­ge­gen kön­nen zwar eben­falls den Wert 1 oder 0 haben – oder eine Kom­bi­na­ti­on aus bei­den – aber das zur glei­chen Zeit. Für Quan­ten­bits (Qbits) heißt es also: 1 und 0, nicht 1 oder  0.

Das bedeu­tet: Ein eher klei­nes 64-qbit-Sys­tem kann gleich­zei­tig in 2 bis 64 Zustän­den sein. Wir spre­chen hier von 1019  Zustän­den – also einer sehr gro­ßen Zahl! Somit kann selbst eine rela­tiv lang­sa­me Quan­ten­ma­schi­ne den leis­tungs­fä­higs­ten klas­si­schen Com­pu­ter schla­gen, indem sie 1019 Zustän­de qua­si gleich­zei­tig bear­bei­tet. Hal­ten wir unse­ren Com­pu­ter dem­nach in einem Quan­ten­zu­stand, kön­nen wir enor­me Men­gen an Zustän­den auf ein­mal unter­su­chen.

Ein wei­te­res, nicht weni­ger merk­wür­di­ges Schlüs­sel­phä­no­men ist der Tun­nel­ef­fekt. In der rea­len Welt wür­de die­ser so aus­se­hen: Wenn Sie ein Objekt gegen eine Wand wer­fen, besteht eine rea­lis­ti­sche Mög­lich­keit, dass es unbe­scha­det durch sie hin­durch­fliegt.

Streng genom­men gibt es die­se Mög­lich­keit sogar in unse­rem All­tag. Sie ist nur so ver­schwin­dend gering, dass es kei­nen Sinn macht zu ver­su­chen, Din­ge durch Wän­de zu wer­fen. In Quan­ten­wel­ten hin­ge­gen kön­nen Quan­ten­ob­jek­te mit einer zu berück­sich­ti­gen­den Wahr­schein­lich­keit durch Bar­rie­ren hin­durch­ge­hen.

Dr. Joseph Reger bei der hub.berlin

Das drit­te selt­sa­me Kon­zept ist die Quan­ten­ver­schrän­kung. Bei die­ser blei­ben ein­mal mit­ein­an­der ver­bun­de­ne Quan­ten­teil­chen auch wei­ter­hin ver­bun­den und jede Hand­lung an ein­zel­nen Teil­chen wird von allen ande­ren ver­bun­de­nen Teil­chen gespie­gelt, auch wenn sie sich in gro­ßer Ent­fer­nung von­ein­an­der befin­den. Tat­säch­lich spielt die Ent­fer­nung über­haupt kei­ne Rol­le. Das ist reich­lich kon­train­tui­tiv, aber den­noch wahr.

Die­se Quan­ten­ei­gen­schaf­ten und ‑phä­no­me­ne für das Com­pu­ting zu nut­zen, ist der Hei­li­ge Gral. Das gilt es zu errei­chen! Trotz des Hypes vie­ler Unter­neh­men rund um das The­ma Quan­ten­com­pu­ting sind wir aktu­ell aber lei­der noch nicht auf die­sem Stand.

Die heu­ti­gen Quan­ten­com­pu­ter kön­nen nur Spiel­zeug­pro­ble­me lösen – inter­es­sant, aber nicht prak­tisch rele­vant. Außer­dem exis­tie­ren sie aktu­ell nur in For­schungs­la­bo­ren, denn die meis­ten benö­ti­gen eine Umge­bung nahe der abso­lu­ten Null­tem­pe­ra­tur von minus 273,15 Grad Cel­si­us. Das ist käl­ter als im Welt­raum. Um die­se Tem­pe­ra­tur auf­recht zu erhal­ten, ist eine beträcht­li­che Men­ge an Ener­gie erfor­der­lich.

Dar­über hin­aus benö­ti­gen die­se frü­hen Quan­ten­sys­te­me auch eine elek­tro­ma­gne­ti­sche Abschir­mung, da die gerings­te Stö­rung dazu führt, dass der Quan­ten­zu­stand zer­fällt (Deko­hä­renz). Das heißt: Es wird aus sei­nem Quan­ten­zu­stand her­aus­ge­ris­sen und ver­liert damit die Quan­ten­ei­gen­schaf­ten und alle ver­bun­de­nen Vor­tei­le.

Uni­ver­sel­le Quan­ten­com­pu­ter sind schwer zu bau­en, schwer zu bedie­nen und schwer zu pro­gram­mie­ren. Es gibt jedoch eine Mög­lich­keit, Quan­ten­ei­gen­schaf­ten in einem ein­fa­che­ren, viel­leicht weni­ger uni­ver­sell ver­wend­ba­ren und weni­ger leis­tungs­fä­hi­gen Quan­ten­com­pu­ter anzu­wen­den: Den Quan­tum Annea­ler. Die­ser hat deut­li­che Vor­tei­le in sei­ner Pro­gram­mier­bar­keit, erfor­dert jedoch ähn­li­che Labor­be­din­gun­gen. Der Nut­zen die­ser Quan­tum Annea­ler liegt im Wesent­li­chen dar­in, kom­ple­xe kom­bi­na­to­ri­sche Opti­mie­rungs­pro­ble­me zu lösen, indem sie eine Viel­zahl von Mög­lich­kei­ten aus­lo­ten, um den best­mög­li­chen Wert, also die opti­ma­le Lösung zu fin­den. Das mag als eine Ein­schrän­kung in der Ver­wend­bar­keit erschei­nen, in der Wirk­lich­keit fal­len jedoch alle Anwen­dungs­bei­spie­le von vor­hin in die­se Kate­go­rie.

Fujitsus Digital Annealer lässt sich von der Quantentechnologie inspirieren

Da die Quan­ten­fä­hig­kei­ten aktu­ell noch nicht in ihrem vol­len Umfang zur Ver­fü­gung ste­hen, hat Fuji­tsu sich von die­sem Ansatz lei­ten las­sen, um eine Brü­cken­tech­no­lo­gie zu ent­wi­ckeln. Von der Super­po­si­ti­on inspi­riert haben wir den Tun­nel­ef­fekt sowie die Quan­ten­ver­schrän­kung digi­tal und in klas­si­scher Hard­ware nach­ge­bil­det. Das Ergeb­nis: Der Digi­tal Annea­ler.

Jetzt ent­steht viel­leicht der Ein­druck, dass wir eine Lösung ent­wi­ckelt haben, die nicht ein­mal im Ansatz so gut sein kann, wie das Quan­ten­com­pu­ting. War­um haben wir das also getan?

Nun, der Digi­tal Annea­ler ist bereits heu­te ver­füg­bar und von gro­ßem Nut­zen zur Lösung von unzäh­li­gen kom­ple­xen kom­bi­na­to­ri­schen Opti­mie­rungs­pro­ble­men. Und die­se gibt es in jeder Bran­che – von der Auto­mo­bil­in­dus­trie, dem Finanz­we­sen, dem Gesund­heits­we­sen und dem Ein­zel­han­del bis hin zum öffent­li­chen Sek­tor.

Hier ein paar Bei­spie­le zur Ver­deut­li­chung: Im Bereich Mate­ri­al­de­sign gibt es bei nur 50 Ato­men 1048 mög­li­che Kom­bi­na­tio­nen zu unter­su­chen. Sol­len bei­spiels­wei­se im Bereich Finanz­we­sen für die Opti­mie­rung eines Port­fo­li­os von hoch­wer­ti­gen, liqui­den Ver­mö­gens­wer­ten in einem vola­ti­len Markt die opti­ma­le Kom­bi­na­ti­on von 500 Akti­en her­aus­ge­fun­den wer­den, müs­sen dabei 10150  Mög­lich­kei­ten berück­sich­tigt wer­den. Zum Ver­gleich: Im gesam­ten Uni­ver­sum gibt es etwa „nur“ 1077  Ato­me.

Mein liebs­tes Bei­spiel ist die Fer­ti­gungs­in­dus­trie: Hier kön­nen wir mit dem Digi­tal Annea­ler die effi­zi­en­tes­te Abfol­ge von Schweiß­punk­ten und –näh­ten an einem Fahr­zeug­chas­sis für einen Robo­ter­arm berech­nen und das sehr schnell. Dabei wird auch fest­ge­legt, ob die Näh­te von rechts nach links oder von links nach rechts geschweißt wer­den sol­len. Dies redu­ziert die Leer­lauf­we­ge, die der Robo­ter­arm zurück­legt. Im Wesent­li­chen han­delt es sich hier um eine Ver­si­on des „Pro­blems des Hand­lungs­rei­sen­den“ – nur in der Pro­duk­ti­on. Über einen gan­zen Tag, einen Monat oder ein Jahr sum­mie­ren sich die­se klei­nen Zeit­ein­spa­run­gen zu einem erheb­li­chen Kos­ten­vor­teil. Im glei­chen Zeit­raum kön­nen mit den glei­chen Res­sour­cen mehr Fahr­zeu­ge her­ge­stellt wer­den.

Ein möglicher Einsatz des Digital Annealers in der Fertigungsindustrie

Die durch den Digi­tal Annea­ler erreich­te Beschleu­ni­gung (bis zu 104 mal) ist über­aus ansehn­lich, wenn auch noch kein ech­tes Quan­ten­com­pu­ting. Wie erfolgt die Umset­zung in ein Pro­jekt? Der Schlüs­sel liegt dar­in, zunächst das Pro­blem des Kun­den in eine bestimm­te mathe­ma­ti­sche Form zu über­set­zen (QUBO, „qua­dra­tic uncons­trai­ned bina­ry opti­mi­za­ti­on“). Von dort aus kann dann der Digi­tal Annea­ler die Berech­nung über­neh­men.

Zusam­men­fas­send lässt sich sagen: unse­re Tech­no­lo­gie ist kei­ne Quan­ten­tech­no­lo­gie, da sich der Rech­ner nicht in einem Quan­ten­zu­stand befin­det. Und eigent­lich kann sie auch nur eine Sache: kom­bi­na­to­ri­sche Opti­mie­rungs­pro­ble­me lösen. Aber das macht der Digi­tal Annea­ler dafür rich­tig gut!

Wir kön­nen heu­te die mög­li­che 100.000-fache Beschleu­ni­gung des Quan­ten­com­pu­tings viel­leicht noch nicht errei­chen. Dafür kön­nen wir jedoch die vor­lie­gen­den kom­bi­na­to­ri­schen Pro­ble­me bis zu zehn­tau­send Mal schnel­ler und genau­er lösen als jeder ande­re auf dem heu­ti­gen Markt. Damit über­trifft die­se Tech­no­lo­gie aktu­ell sogar noch den labor­ge­bun­de­nen Quan­ten­com­pu­ter. Das heißt: Fuji­t­sus quan­ten­in­spi­rier­te Brü­cken­tech­no­lo­gie ist der­zeit leis­tungs­fä­hi­ger als die Tech­no­lo­gie, zu der sie eine Brü­cke schlägt.

Mit einem Augen­zwin­kern könn­ten wir sagen, dass es die Inspi­ra­ti­on durch den Tun­nel­ef­fekt gebraucht hat, um den Quan­ten­com­pu­ting-Hype hin­ter uns zu las­sen und zur heu­ti­gen Pro­duk­ti­vi­täts­stei­ge­rung für indus­tri­el­le Anwen­dun­gen zu gelan­gen.

Die Fra­ge ist nun: War­ten wir, bis die Quan­ten­com­pu­ter fer­tig sind?

Oder nut­zen wir lie­ber die Vor­tei­le, die es bereits heu­te gibt, wenn die not­wen­di­gen Rech­ner­ei­gen­schaf­ten durch eine quan­ten­in­spi­rier­te Lösung simu­liert wer­den – mit dem Digi­tal Annea­ler?

Wei­te­re Infor­ma­tio­nen fin­den Sie auf unse­rer Web­sei­te zum Digi­tal Annea­ler.

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