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Quantum Computing kommt – doch was bringt es uns?

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Geschätzte Lesezeit: 6 Minuten

Die Eupho­rie ist groß, die Skep­sis auch. Beim The­ma Quan­tum Com­pu­ting gehen die Mei­nun­gen aus­ein­an­der. Die einen sind über­zeugt, dass in naher Zukunft Quan­ten­com­pu­ter unse­re her­kömm­li­chen Rechen­sys­te­me über­flü­geln und in eini­gen Fäl­len auch ablö­sen wer­den. Die ande­ren zwei­feln, ob die­se Tech­no­lo­gie jemals wirk­lich prak­ti­ka­bel und wirt­schaft­lich sein wird. Bei­de Sei­ten sind sich aber in einem Punkt einig: Kein ein­zel­ner Play­er im Markt, kein Land oder Unter­neh­men wird in der Lage sein, die­ser Zukunfts­tech­no­lo­gie im Allein­gang zum Durch­bruch zu verhelfen.

Begeisterung hin, Zweifel her – das Rennen läuft

Neben den USA und Chi­na inves­tie­ren Staa­ten wie Deutsch­land oder Frank­reich Mil­li­ar­den Euro in die För­de­rung von Quan­tum Com­pu­ting. Auch die EU hat sich das The­ma auf die Fah­ne geschrie­ben. Eta­blier­te Unter­neh­men wie Fuji­tsu, IBM oder Atos arbei­ten seit vie­len Jah­ren an Quan­ten- und Quan­ten-inspi­rier­ten Lösun­gen. Start-ups stre­ben in den Markt, suchen nach Investor*innen.

Der aktu­el­le Stand in Sachen Quan­tum Com­pu­ting wur­de Ende Mai auf dem „Quan­tum Sum­mit 2021” des Bit­kom dis­ku­tiert. Expert*innen aus For­schung, Wirt­schaft und Poli­tik tausch­ten sich zwei Tage lang aus. Fuji­tsu war als Part­ner betei­ligt und stell­te unter ande­rem den Digi­tal Annea­ler vor.

Die­sen Fra­gen wol­len wir nachgehen:

  • Was ver­steht man eigent­lich unter Quan­tum Computing?
  • Wie steht es aktu­ell um Quan­ten­tech­no­lo­gien in Deutsch­land und Euro­pa? Was sind die Perspektiven?
  • Wie schnei­den die Lösun­gen rund um Quan­tum Com­pu­ting von Fuji­tsu im Ver­gleich zu ande­ren ab?

Quantum Computing einfach erklärt

Am Anfang steht eine fun­da­men­ta­le Erkennt­nis, die wir Max Planck und Albert Ein­stein zu ver­dan­ken haben: Wir leben in einer Quan­ten­welt. Auf Ebe­ne der Ato­me und ihrer Bestand­tei­le gel­ten die Regeln der Quantenmechanik.

Wenn unse­re gesam­te Welt auf Quan­ten basiert – könn­ten Quan­ten­sys­te­me uns dann nicht hel­fen, bes­ser zu ver­ste­hen, was in der Welt pas­siert? So kom­men Quan­ten­tech­no­lo­gien ins Spiel. Ein Com­pu­ter, der auf die­sen Tech­no­lo­gien basiert, ver­spricht gewal­ti­ge Mög­lich­kei­ten: unglaub­li­che Rechen­leis­tung, blitz­schnel­le Opti­mie­rung von Pro­zes­sen, abso­lut siche­re Kom­mu­ni­ka­ti­on. Das erhof­fen sich zumin­dest die Quanten-Enthusiast*innen. Die Skeptiker*innen ver­wei­sen auf die Hindernisse.

Aktu­ell sind Quan­ten­com­pu­ter näm­lich weit ent­fernt davon, vor­han­de­ne High Per­for­mance Com­pu­ter zu über­tref­fen. Die Anzahl und die Qua­li­tät ihrer ele­men­ta­ren Spei­cher­ein­hei­ten, Qubits genannt, ist dafür noch zu gering. Qubits kön­nen im Gegen­satz zu digi­ta­len Bits einen Zwi­schen­zu­stand zwi­schen Null und Eins ein­neh­men. Dadurch kön­nen alle mög­li­chen Wer­te bzw. Kom­bi­na­tio­nen zugleich dar­ge­stellt und bear­bei­tet wer­den. Bei 20 Qubits bei­spiels­wei­se sind dies alle Wer­te zwi­schen 20 und 220, also zwi­schen 0 und ein biss­chen mehr als 1 Mil­li­on. Soweit die Theorie.

Unternehmen und Wissenschaftler*innen verkünden regelmäßig neue Durchbrüche

Doch die genann­te Anzahl der Qubits und die ver­schie­de­nen Umset­zun­gen kön­nen schnell für Ver­wir­rung sorgen:

  • Gat­ter Quan­ten­com­pu­ter, die von vie­len als „ech­te” Quan­ten­com­pu­ter ange­se­hen wer­den, ver­wen­den Gat­ter mit wel­chen man ele­men­ta­re Ope­ra­tio­nen auf ein­zel­nen Qubits durch­füh­ren kann. Aktu­el­le Quan­ten Gat­ter­com­pu­ter ver­fü­gen über maxi­mal 73 Qubits.
  • Adia­ba­ti­sche Quan­ten­com­pu­ter hin­ge­gen set­zen auf soge­nann­tes Quan­tum Anne­aling. Seit 2020 gibt es sie mit mehr als 5.000 Qubits, die aber unter­ein­an­der nicht voll­stän­dig ver­bun­den bzw. ver­netzt sind.

Nach­tei­le die­ser Sys­te­me sind unter ande­rem eine sehr anspruchs­vol­le tech­ni­sche Umset­zung, die spe­zi­el­le not­wen­di­ge äuße­re Umge­bung und die not­wen­di­gen Feh­ler­kor­rek­tu­ren in den Ergebnissen.

Ein guter Kom­pro­miss ist es, Quan­tum Com­pu­ting auf her­kömm­li­chen Rech­ner­sys­te­men zu simu­lie­ren. Als intel­li­gen­te Lösung bie­tet sich hier Simu­la­ted Anne­aling an. Emu­liert man die­ses nun auf Basis eines Chips und lässt sich beim Design des­sel­ben von ver­schie­de­nen Quan­ten­ef­fek­ten inspi­rie­ren, dann erhält man den Digi­tal Annea­ler. Auf die­se Quan­ten-inspi­rier­te Tech­no­lo­gie kom­men wir gleich noch zurück.

Quantum Summit 2021: Wo stehen wir, was bringt die Zukunft?

Opti­mis­ti­sche Bli­cke nach vor­ne, Anmer­kun­gen zu aktu­el­len poli­ti­schen Stra­te­gien, Auf­ru­fe zu mehr Aus­tausch und Koope­ra­ti­on. All dies und mehr gab es auf dem digi­ta­len Quan­tum Sum­mit 2021. Wenn in Key­notes, Prä­sen­ta­tio­nen und Panel-Dis­kus­sio­nen ein Grund­te­nor vor­herrsch­te, dann die­ser: Quan­tum Com­pu­ting kön­nen wir nur gemein­sam voranbringen.

Ver­tre­ter der gro­ßen Tech­no­lo­gie­un­ter­neh­men kamen zu Wort:

Mark Mat­ting­ley-Scott (IBM) sieht Euro­pa und ins­be­son­de­re Deutsch­land als füh­rend bei der For­schung zu Quan­tum Com­pu­ting an. Bis 2023 hält er Quan­ten­com­pu­ter mit mehr als 1.000 Qubits für rea­lis­tisch. Für bestimm­te Anwen­dun­gen sei­en sie sehr geeig­net, bei ande­ren wären klas­si­sche Com­pu­ter­sys­te­me die bes­se­re Wahl.

Joseph Reger (Fuji­tsu) wies auf Par­al­le­len zur Debat­te über KI hin: Auch hier gab es immer wie­der Früh­lin­ge, also Zei­ten des gro­ßen Opti­mis­mus, auf die dann dunk­le Win­ter folg­ten. Mit Quan­tum Com­pu­ting kön­ne es ähn­lich lau­fen. Die Zeit bis zur Ent­wick­lung eines ech­ten Quan­ten­com­pu­ters gel­te es mit intel­li­gen­ten Lösun­gen wie Digi­tal Anne­aling zu überbrücken.

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Jan Wen­der (Atos) gab Ein­bli­cke in die glo­ba­le Quan­ten-Stra­te­gie sei­nes Unter­neh­mens. Er sieht weit­rei­chen­de Anwen­dungs­mög­lich­kei­ten in ver­schie­dens­ten Bran­chen für Quan­tum Computing.

Kooperationen als Schlüssel zum Fortschritt

In einer gemein­sa­men Prä­sen­ta­ti­on stell­ten Georg Hou­ben (Fuji­tsu) und Oli­ver Hol­sch­ke (T‑Labs/Deutsche Tele­kom) vor, wie bei­de Unter­neh­men auf dem Gebiet des Quan­tum Com­pu­tings koope­rie­ren. Die Deut­sche Tele­kom erkennt unter ande­rem gro­ßes Poten­zi­al bei der Opti­mie­rung ihrer Mobil­funk­netz­wer­ke. Der Ein­satz des von Fuji­tsu ent­wi­ckel­ten Digi­tal Annea­ler ver­spre­che hier gute Ergebnisse.

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Über­haupt war Koope­ra­ti­on ein gro­ßes The­ma. So ging es im Panel „Ger­ma­ny – an inter­na­tio­nal cent­re of excel­lence in Quan­tum?” um die Fra­ge, wie Deutsch­land sei­ne Posi­ti­on aus­bau­en und sichern kann. Neben For­de­run­gen nach stär­ke­rer Zusam­men­ar­beit von For­schung und Wirt­schaft wur­de betont, wie wich­tig die Schaf­fung eines trag­fä­hi­gen Öko­sys­tems für Quan­tum Com­pu­ting sei.

Ein posi­ti­ves Bei­spiel für die zuneh­men­de Koope­ra­ti­on über alle Bran­chen­gren­zen hin­weg ist das Plan­QK Öko­sys­tem bzw. Kon­sor­ti­um. In die­ser Com­mu­ni­ty arbei­ten mehr als 70 Partner*innen aus Indus­trie und For­schung an quan­ten­ge­stütz­ter Künst­li­cher Intel­li­genz und der Ent­wick­lung einer gemein­sa­men Platt­form. Neben der Deut­schen Tele­kom unter­stützt auch Fuji­tsu die­ses Projekt.

Europa strebt führende Position an, Deutschland und Frankreich engagieren sich stark

Auch auf euro­päi­scher Ebe­ne steht das The­ma Quan­tum Com­pu­ting weit oben auf der Agen­da, als Teil der Digi­tal­stra­te­gie der Euro­päi­schen Kom­mis­si­on „Europe’s Digi­tal Deca­de”. Tho­mas Skor­das und Gus­tav Kal­be (bei­de EU-Kom­mis­si­on) führ­ten dies in ihren Vor­trä­gen aus. Erklär­tes Ziel ist es, bis 2030 den ers­ten euro­päi­schen Quan­ten­com­pu­ter zu ent­wi­ckeln. Ab Herbst 2021 wird es im Rah­men des EU-For­schungs­för­de­rungs­pro­gramms „Hori­zon Euro­pe” einen eige­nen Fund für Quan­ten­tech­no­lo­gien geben.

Doch auch ein­zel­ne Mit­glied­staa­ten enga­gie­ren sich erheb­lich. Die Bun­des­re­gie­rung för­dert Quan­ten­tech­no­lo­gien in den nächs­ten Jah­ren mit rund 2,5 Mrd. Euro. Die Road­map des Exper­ten­rats aus For­schung und Indus­trie sieht vor,

  • kurz­fris­tig (1–5 Jah­re) einen nie­der­schwel­li­gen Zugang zu schaf­fen durch Auf­bau eines umfas­sen­den Öko­sys­tems,
  • mit­tel­fris­tig (10 Jah­re) einen Quan­ten­vor­teil für pra­xis­re­le­van­te Anwen­dun­gen zu demons­trie­ren, um an der Spit­ze des inter­na­tio­na­len Wett­be­werbs zu ste­hen, und
  • lang­fris­tig (10–15 Jah­re) ein feh­ler­kor­ri­gier­tes Quan­ten­com­pu­ting Sys­tem zur Lösung einer uni­ver­sel­len Klas­se an Pro­ble­men zur Ver­fü­gung zu stellen.

Ein Ver­tre­ter des fran­zö­si­schen For­schungs­mi­nis­te­ri­ums stell­te auch dedi­ziert die Quan­ten-Stra­te­gie Frank­reichs vor. In den nächs­ten Jah­ren wird das Land rund 1,8 Mrd. För­der­mit­tel inves­tie­ren und mit ande­ren EU-Staa­ten, unter ande­rem Deutsch­land und den Nie­der­lan­den, inten­siv kooperieren.

Viel Förderung und Forschung, wenig Business-Relevanz?

Die Fra­ge nach der Pra­xis­re­le­vanz trieb beson­ders die Vertreter*innen aus den Unter­neh­men um. So wies zum Bei­spiel Horst Weiß (BASF) dar­auf hin, dass drin­gend Sys­tem­in­te­gra­to­ren nötig sei­en. Wolf­gang Mau­rer (Sie­mens) sprach von einer gro­ßen Kluft, die sich zwi­schen For­schung und indus­tri­el­ler Anwen­dung auf­tue. Aus sei­ner Sicht gibt es kei­nen „Quan­ten Bonus”: Der Indus­trie sei es egal, mit Hil­fe wel­cher Tech­no­lo­gie ein Pro­blem gelöst werde.

Fuji­tsu kennt die Bedürf­nis­se der Indus­trie und arbei­tet seit Jah­ren an prag­ma­ti­schen Lösun­gen, um Quan­ten­tech­no­lo­gien für Unter­neh­men nutz­bar zu machen.

Quanten-inspiriertes Computing als Brückentechnologie – mit klaren Vorteilen für das Business

Eine sehr gro­ßes Anwen­dungs­feld für Quan­ten­tech­no­lo­gien im Busi­ness ist die kom­bi­na­to­ri­sche Opti­mie­rung. Zum Bei­spiel bei der Rou­ten­fin­dung und Lager­hal­tung im Logis­tik­be­reich, der Schicht­pla­nung oder der Ent­wick­lung von Medi­ka­men­ten. Wei­te­re Anwen­dun­gen von Quan­ten­com­pu­tern lie­gen in der Kryp­to­gra­fie, der Suche in gro­ßen Daten­men­gen und der Künst­li­chen Intelligenz.

Quan­ten­com­pu­ter kön­nen sol­che Auf­ga­ben im Ver­gleich zu her­kömm­li­chen Com­pu­tern qua­si in Win­des­ei­le lösen – und den Unter­neh­men, die früh­zei­tig auf die­se Tech­no­lo­gie gesetzt haben, gro­ße Wett­be­werbs­vor­tei­le verschaffen.

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Der Digital Annealer als Brückentechnologie

Knack­punkt ist jedoch, dass die Rechen­ka­pa­zi­tät der bis­lang exis­tie­ren­den Quan­ten­com­pu­ter nicht aus­reicht, um indus­trie­re­le­van­te Pro­ble­me auf die­sen Sys­te­men abzu­bil­den. Die Zahl der Qubits ist noch zu gering. Für die Über­gangs­zeit bie­tet sich eine Brückentechnologie an: ein Digi­tal Annealer.

Der Digi­tal Annea­ler arbei­tet quan­ten-inspi­riert: Er basiert auf her­kömm­li­cher Sili­zi­um-Pro­zes­sor­tech­no­lo­gie und emu­liert quan­ten­me­cha­ni­sche Effek­te. So erzielt er annä­hernd die Lösungs­qua­li­tät der aktu­el­len Quan­ten­com­pu­ter, kann aber einen wesent­lich grö­ße­ren Pro­blem­raum durch­su­chen. Der von Fuji­tsu ent­wi­ckel­te Digi­tal Annea­ler nutz­te hier­für bis­her 8.192 Ent­schei­dungs­bits, erst seit kur­zem ist die drit­te Genera­ti­on mit 100.000 Bits ver­füg­bar – alle voll ver­netzt.

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In tech­ni­scher Hin­sicht ist der Digi­tal Annea­ler viel leich­ter in Rechen­zen­tren zu inte­grie­ren als ein Quan­ten­com­pu­ter, der hohe Anfor­de­run­gen an Kühlung und Abschir­mung stellt. Wei­te­rer Vor­teil ist, dass ein Unter­neh­men bereits heu­te Kom­pe­tenz in Sachen Quan­ten- bzw. quan­ten-inspi­rier­ter Tech­no­lo­gie auf­bau­en kann. Ein Zeit­vor­sprung, der im Wett­be­werb ent­schei­dend wer­den kann.

Wann ist Digi­tal Anne­aling für ein Unter­neh­men sinn­voll? Aus unse­rer Sicht gibt es drei Szenarien:

  • Echt­zeit­an­for­de­run­gen: Für das Fin­den eines min­des­tens gleich guten Opti­mums in schnel­le­rer Zeit, zum Bei­spiel beim Job Shop Scheduling.
  • Qua­li­täts­an­for­de­run­gen: Für das Fin­den eines bes­se­ren Opti­mums in einer vor­ge­ge­be­nen Zeit, zum Bei­spiel im Umfeld Port­fo­lio Management.
  • Dis­rup­ti­ve Ansät­ze: Für die Ska­lie­rung oder neue Mög­lich­kei­ten, die mit bestehen­den Tech­no­lo­gien nur unzu­rei­chend bear­bei­tet wer­den kön­nen, etwa kom­ple­xe Auf­ga­ben in der Verkehrsoptimierung.

Wich­tig für alle die­se Anwen­dun­gen ist die Umset­zung des Pro­blems auf eine kom­bi­na­to­ri­sche Opti­mie­rung und in der Fol­ge auf linea­re oder qua­dra­ti­sche Ener­gie­glei­chun­gen, die es zu lösen gilt. In Zukunft wer­den Quan­ten­tech­no­lo­gien einen wich­ti­gen Bau­stein in der IT-Infra­struk­tur von Unter­neh­men bil­den. Bereits heu­te macht Fuji­tsu quan­ten-inspi­rier­tes Com­pu­ting als Brückentechnologie für indus­trie­re­le­van­te Her­aus­for­de­run­gen verfügbar. So erhal­ten Kund*innen die Mög­lich­keit, pra­xis­re­le­van­tes Wis­sen auf­zu­bau­en und zugleich einen Bene­fit für ihr Busi­ness zu gene­rie­ren.

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Fazit: Ein mutiger Blick voraus – mit gemischten Gefühlen

Mit rund 1.300 Teilnehmer*innen und mehr als 80 Prä­sen­tie­ren­den war der digi­ta­le Quan­tum Sum­mit 2021 ein vol­ler Erfolg. Quan­tum Com­pu­ting betrach­tet die Mehr­heit als weg­wei­sen­de Zukunfts­tech­no­lo­gie. In die opti­mis­ti­schen Pro­gno­sen misch­ten sich aber auch Stim­men, die auf eine mög­li­che Über­schät­zung des Poten­zi­als oder eine noch unzu­rei­chen­de Anwen­dungs­ori­en­tie­rung hin­wie­sen. Eine gesun­de Mischung aus Eupho­rie und reflek­tier­ter Ver­nunft scheint ange­bracht zu sein, um Quan­tum Com­pu­ting wei­ter voranzutreiben.

Wir bei Fuji­tsu sind gespannt auf die Dis­kus­sio­nen beim nächs­ten Quan­tum Sum­mit. Bis dahin arbei­ten wir wei­ter an quan­ten-inspi­rier­ten Lösungen.

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