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Fujitsu Forum 2017: Die Möglichkeiten des Quantum Computing

Keynote über Quanten Computing
Geschätzte Lesezeit: 5 Minuten

Was hat eine Kat­ze mit der Ver­bes­se­rung unse­rer Welt zu tun? Die fina­le Key­note des Fuji­tsu Forums 2017, „The posi­bi­li­ties of Quan­tum Com­pu­ting“, beant­wor­te­te die­se und vie­le wei­te­re Fra­gen. Dr. Joseph Reger schloss zwei Tage vol­ler span­nen­der Ein­sich­ten in unse­re digi­ta­le Zukunft mit einem Pau­ken­schlag ab. Der CTO Fuji­tsu EMEIA nahm uns mit in die fas­zi­nie­ren­de Welt des Quan­tum Com­pu­ting. Wir fas­sen die erstaun­li­chen Erkennt­nis­se und Zukunfts­aus­sich­ten sei­ner Key­note für Sie zusammen.

Die Grundregeln der Quantenphysik: Die Dualität der Superposition

Um einen stan­dard­mä­ßi­gen öffent­li­chen RSA-Ver­schlüs­se­lungs­code zu durch­bre­chen, müs­sen 617-stel­li­ge Zah­len­kom­bi­na­tio­nen geknackt wer­den. Mit Gene­ral Pur­po­se Com­pu­ting wür­de das 6 Bil­li­ar­den Jah­re dau­ern. Sogar ein Super­com­pu­ter bräuch­te für die­se Auf­ga­be 21 Bil­lio­nen Jah­re. Das ist 1,5 Mal län­ger, als unser Uni­ver­sum alt ist.

Auch der Super­com­pu­ter der Zukunft wür­de mit 1.000.000-facher Geschwin­dig­keit heu­ti­ger Hard­ware immer noch 20.000 Jah­re benö­ti­gen, um einen sol­chen Code zu kna­cken. Nur eine grund­le­gend neue Art von Rech­nern, wäre schnell genug, sol­che Rechen­ope­ra­tio­nen in ange­mes­se­ner Zeit aus­zu­füh­ren: Quan­ten­com­pu­ter.

Das Prinzip der Dualität

Um Quan­tum Com­pu­ting wirk­lich zu ver­ste­hen, müs­sen wir die Grund­re­geln der Quan­ten­phy­sik ver­ste­hen. Das wich­tigs­te Prin­zip der Quan­ten­phy­sik ist die Dua­li­tät: Ein Phä­no­men nimmt zur sel­ben Zeit zwei Zustän­de ein. Dr. Reger ver­gleicht es mit den gemisch­ten Gefüh­len ame­ri­ka­ni­scher Stu­den­ten zum The­ma Quantenphysik:

„Quan­ten­phy­sik ist sowohl fan­tas­tisch als auch merk­wür­dig – bei­des gleich­zei­tig. Das ist das dua­le Prin­zip der Quantenphysik.“

Das Bei­spiel Licht ver­deut­licht das dua­le Prin­zip in der Phy­sik: In sei­nem Dop­pel­spalt­ex­pe­ri­ment von 1802 bewies Tho­mas Young, dass Licht aus Wel­len besteht. 100 Jah­re spä­ter stell­te der Pho­to­elek­tri­sche Effekt die­se gesi­cher­te Erkennt­nis auf die Pro­be. Der Effekt zeig­te, dass Licht aus Teil­chen besteht. Wie kann das sein? Bei­de Expe­ri­men­te beleg­ten jeweils ein­deu­tig, dass Licht aus Wel­len oder aus Teil­chen besteht. Der Dua­lis­mus der Quan­ten­phy­sik löst die­sen Wider­spruch auf: Licht ver­hält sich sowohl wie Wel­len, als auch wie Teil­chen.

Das bedeu­tet aber nicht, dass zwei unter­schied­li­che Zustän­de zur sel­ben Zeit tat­säch­lich vor­lie­gen. In der Quan­ten­phy­sik geht es um die gleich­zei­ti­ge Wahr­schein­lich­keit zwei­er Zustän­de. Auf das Licht­bei­spiel bezo­gen heißt das: Licht könn­te sich zur sel­ben Zeit ent­we­der wie Teil­chen oder wie Wel­len verhalten.

Die Superposition

Quanten Computing und Schrödingers KatzeDas berühm­te Gedan­ken­ex­pe­ri­ment Schrö­din­gers Kat­ze ver­an­schau­licht die­ses Prin­zip: Im Ver­suchs­auf­bau befin­den sich eine Kat­ze, ein Aus­lö­ser und Gift­gas. Der Aus­lö­ser akti­viert mit einer Wahr­schein­lich­keit von genau 50 % das Gift­gas und die Kat­ze stirbt. Den gesam­ten Ver­suchs­auf­bau stel­len wir uns nun in einer Box vor. In der Quan­ten­welt ist die Kat­ze nun in einer Art Super­po­si­ti­on zu zwei Zustän­den: Tot oder leben­dig – mit jeweils exakt der glei­chen Wahrscheinlichkeit.

Erst, wenn wir die Box öff­nen, um den Zustand zu beob­ach­ten, bricht der Quan­ten­zu­stand der Kat­ze zusam­men und fällt auf einen der bei­den Zustän­de unse­rer gewohn­ten Umge­bung zurück – wir fin­den sie ent­we­der tot oder leben­dig. Bis zu die­sem Moment ist sie in ihrer dua­len Super­po­si­ti­on im Quan­ten­uni­ver­sum sowohl tot als auch lebendig.

In der Rea­li­tät kann eine Kat­ze die­se Super­po­si­ti­on aber lei­der nicht ein­neh­men – sie ist schlicht zu groß. Quan­ten­zu­stän­de sind nur auf mikro­sko­pisch-ato­ma­rer Ebe­ne mög­lich. Das ist auch der Grund dafür, dass wir Quan­ten­zu­stän­de zer­stö­ren, sobald wir sie beob­ach­ten wol­len. Der Beob­ach­ter befin­det sich in einer ganz ande­ren Grö­ßen­di­men­si­on als die win­zi­gen Quan­ten, sodass wir immer nur die klas­si­schen Zustän­de in unse­rer gewohn­ten Umge­bung erfas­sen kön­nen. Durch die Inter­ak­ti­on des Beob­ach­tens fällt die Super­po­si­ti­on von Teil­chen grund­sätz­lich auf einen der ver­schie­de­nen wahr­schein­li­chen Zustän­de in unse­rer Dimen­si­on zurück.

Quantum Computing: Qubits in Superpositionen

Dass wir die Quan­ten­zu­stän­de im Moment der Beob­ach­tung zer­stö­ren, ist auch die größ­te Her­aus­for­de­rung beim Quan­tum Com­pu­ting. Wir müs­sen ler­nen, die Mecha­nis­men der Quan­ten­welt zu bewah­ren, wäh­rend wir die Rechen­vor­gän­ge beob­ach­ten, um Feh­ler kor­ri­gie­ren zu können.

„Feh­ler­kor­rek­tur ist eine der gro­ßen Her­aus­for­de­run­gen beim Quan­tum Computing.“
Dr. Joseph Reger, CTO bei Fuji­tsu EMEIA

Keynote Quanten ComputingDa ein Quan­ten­com­pu­ter aber grund­sätz­lich mit dem Dua­lis­mus der Super­po­si­tio­nen arbei­ten kann, ist er zu unfass­bar schnel­len Rechen­leis­tun­gen im Stan­de. Statt sich mit jeder Mög­lich­keit ein­zeln aus­ein­an­der­zu­set­zen, berück­sich­tigt der Quan­ten­com­pu­ter alle mög­li­chen Zustän­de gleichzeitig.
Das grund­le­gen­de Ele­ment des Quan­tum Com­pu­ting ist das Qubit. Klas­si­sche Bits kön­nen im Zustand 1 oder 0 sein.

Das Qubit kann die Super­po­si­ti­on ein­neh­men und gleich­zei­tig im Zustand 1 und 0 sein – natür­lich nur, solan­ge wir es nicht mes­sen. Vie­le Qubits in der Super­po­si­ti­on könn­ten also sämt­li­che mög­li­che Lösun­gen für ein Pro­blem gleich­zei­tig anzeigen.

Die Alternativen: Simulation, Quantum Gate Computer, Annealing

  1. Aber wie kön­nen wir das Pro­blem mit der man­geln­den Feh­ler­kor­rek­tur und Aus­les­bar­keit der Quan­ten­zu­stän­de umge­hen? Die Prin­zi­pi­en der Quan­ten­phy­sik mit unse­rer übli­chen Hard­ware zu simu­lie­ren, wäre eine Idee. Schließ­lich simu­lie­ren wir mit unse­ren Com­pu­tern stän­dig die kom­ple­xes­ten Pro­zes­se. Die Schwie­rig­keit ist fol­gen­de: 2 Qubits kön­nen dem Prin­zip der Dua­li­tät nach gleich­zei­tig mit bestimm­ten Wahr­schein­lich­kei­ten in 4 unter­schied­li­chen Zustän­den sein. Für die Beschrei­bung der Quan­ten­zu­stän­de zwei­er Qubits benö­ti­gen wir also 4 Zahlen.

    „Um einen Quan­ten­com­pu­ter mit nur 80 Qubits zu simu­lie­ren, bräuch­ten wir einen Com­pu­ter von der Grö­ße des sicht­ba­ren Universums.“
    Dr. Joseph Reger, CTO bei Fuji­tsu EMEIA

    Eine Quan­ten­be­rech­nung wür­de dann so lan­ge dau­ern, wie das Uni­ver­sum alt ist.

  2. Wir brau­chen also ech­te Quan­ten­hard­ware. Quan­tum Gate Com­pu­ter wären eine mög­li­che Lösung. Aller­dings sind sie bis­her sehr schwer zu bau­en und wegen der Schwie­rig­keit der Feh­ler­kor­rek­tur noch nicht in der Lage, aus­sa­ge­kräf­ti­ge Ergeb­nis­se zu liefern.
  3. Quan­ten Anne­aling bie­tet eine ver­läss­li­che und greif­ba­re Alter­na­ti­ve zum Quan­tum Gate Com­pu­ter. Anne­aling bedeu­tet über­setzt „Glü­hen”. Wir ken­nen das Prin­zip aus der Schmie­de: Der Schmied erhitzt Metall, um es fle­xi­bel und weni­ger brü­chig zu machen, sodass man es bear­bei­ten kann. Beim Quan­ten Anne­aling nut­zen wir statt Hit­ze ein star­kes exter­nes Magnet­feld, um die Quan­ten zu kon­trol­lie­ren.
    So funk­tio­niert der ein­zi­ge kom­mer­zi­el­le Quan­ten­com­pu­ter der Welt, den das kana­di­sche Unter­neh­men D‑Wave Inc. bau­te. Die­ser Quan­ten­com­pu­ter schafft es, die Qubits über das Anne­aling­prin­zip eine gan­ze Zeit lang in der Super­po­si­ti­on zu belas­sen und gewähr­leis­tet schon jetzt Feh­ler­kor­rek­tu­ren in einem gewis­sen Maße. Der D‑Wave Quan­ten­com­pu­ter kann schon sehr vie­le kom­ple­xe Pro­ble­me in kur­zer Zeit lösen, ist aber auch sehr teu­er und braucht sehr viel Ener­gie in einer ganz spe­zi­el­len Umge­bung.

Die Lösung: Digital Annealing

Digital Annealing statt Quanten ComputingWas kön­nen wir also tun, wenn wir die Geschwin­dig­keit der Quan­ten­tech­no­lo­gie nut­zen wol­len, aber ver­läss­li­che und wirt­schaft­li­che Lösun­gen noch weit ent­fernt sind? Wir kön­nen die Tricks der Quan­ten­me­cha­nik nut­zen und sie in klas­si­sche Hard­ware inte­grie­ren. Dabei geht es nicht um eine Simu­la­ti­on, son­dern dar­um, dass eine spe­zi­el­le Hard­ware quan­ten­in­spi­rier­te Tricks nutzt, um wesent­lich schnel­ler zu arbeiten.

Fuji­tsu hat sich die­ser Her­aus­for­de­rung gestellt und in Zusam­men­ar­beit mit der Uni­ver­si­tät von Toron­to den Digi­tal Annea­ler ent­wi­ckelt. Dr. Hirotaka Tamu­ra, Chef­ar­chi­tekt des Digi­tal Annea­lers bei Fuji­tsu Labo­ra­to­ries in Japan erklärt uns die Vor­tei­le des Digi­tal Annealers:

Der Digi­tal Annea­ler ist kein Quan­ten­com­pu­ter, son­dern von Quan­ten inspi­riert. Dadurch kann er vie­le der Quan­tentricks nach­ah­men und wie in einer Super­po­si­ti­on Vor­gän­ge gleich­zei­tig statt nach­ein­an­der aus­füh­ren. Das macht den DA schon jetzt 10.000 Mal schnel­ler als simu­lier­tes Anne­aling und 17.000 Mal schnel­ler als jet­zi­ge Pro­zes­so­ren. Mit dem Digi­tal Annea­ler lie­gen wir heu­te bereits 14 Chip­ge­nera­tio­nen und eine gan­ze Men­schen­ge­nera­ti­on vor der aktu­el­len Tech­no­lo­gie. Bald wird der Digi­tal Annea­ler sogar 100.000 Mal schnel­ler sein als her­kömm­li­che Prozessoren.

Der Digi­tal Annea­ler ist im Gegen­satz zu Quan­ten­com­pu­tern güns­tig, ener­gie­ef­fi­zi­ent und schon heu­te nutz­bar. Mit die­ser Tech­no­lo­gie kön­nen wir bald die Auf­ga­ben zukünf­ti­ger Quan­ten­com­pu­ter über­neh­men und vie­le Berei­che optimieren:

  • Kata­stro­phen­ma­nage­ment
  • Kata­stro­phen­schutz
  • Mole­ku­la­re Forschung
  • Strah­len­the­ra­pie im mensch­li­chen Körper
  • Künst­li­che Intelligenz
  • Maschi­nel­les Lernen
  • Netz­werk­si­cher­heit

Kurz gesagt:

„Die Zukunft wird mit Quan­tum Com­pu­ting bes­ser sein. Viel besser!“
Dr. Joseph Reger, CTO bei Fuji­tsu EMEIA

Die Key­note mach­te deut­lich, dass wir bei der Ent­wick­lung ech­ter Quan­ten­com­pu­ter noch eini­ge Her­aus­for­de­run­gen über­win­den müs­sen, um mit ihnen arbei­ten zu kön­nen. Schon heu­te ist es aber mög­lich, die Tricks des Quan­ten­uni­ver­sums zu nut­zen und damit unse­re Rechen­ope­ra­tio­nen immens zu beschleu­ni­gen. Der Digi­tal Annea­ler macht die unglaub­li­chen Chan­cen des Quan­tum Com­pu­tings schon heu­te greif­bar. Wir freu­en uns dar­auf, die Welt mit unse­rer Tech­no­lo­gie schon heu­te zu einem bes­se­ren, gesün­de­ren und siche­re­ren Ort zu machen.

Wei­te­re Details zum Quan­tum Com­pu­ting erfah­ren Sie im Video der Keynote:

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