Qubits statt Bits: Welche Zukunft bereiten uns Quantencomputer?

Eine der Hauptwissenschaftlichen Herausforderungen unserer Zeit ist das Rennen um die Schaffung des ersten nützlichen Quantencomputers. Tausende von Physikern und Ingenieuren sind daran beteiligt. Ihre Konzepte entwickeln IBM, Google, Alibaba, Microsoft und Intel. Wie wird ein mächtiges Rechengerät unsere Welt verändern, und warum ist das so wichtig?

Stellen Sie sich für einen Moment vor: Ein vollwertiger Quantencomputer ist geschaffen. Er ist ein alltägliches und ganz natürliches Element unseres Lebens geworden. Über klassische Berechnungen wird jetzt nur noch in der Schule im Geschichtsunterricht gesprochen. Tief in kalten Kellern operieren leistungsstarke Maschinen mit Qubits, um den Betrieb von Robotern mit künstlicher Intelligenz aufrechtzuerhalten. Sie erledigen alle gefährlichen und einfach monotonen Aufgaben. Beim Spazierengehen im Park schauen Sie sich um und sehen allerlei Roboter. Menschliche Wesen führen Hunde aus, verkaufen Eis, reparieren Elektroinstallationen, fegen das Gelände. Einige Modelle ersetzen Haustiere.

Wir haben die Möglichkeit erhalten, alle Geheimnisse des Universums zu enthüllen und in unser Innerstes zu blicken. Die Medizin hat ein neues Niveau erreicht – innovative Medikamente werden jede Woche entwickelt. Wir können prognostizieren und feststellen, wo sich knappe Ressourcen wie Gas und Öl befinden. Das Problem der globalen Erwärmung ist gelöst, Energieeinsparungsmethoden sind optimiert, und in den Städten gibt es keinen Verkehrsstau mehr. Der Quantencomputer steuert nicht nur alle robotischen Maschinen, sondern sorgt auch für einen freien Verkehr: Er überwacht die Verkehrssituation, korrigiert Routen und übernimmt im Notfall die Kontrolle von Fahrern. So könnte das Quantenzeitalter aussehen.

Quanten-Goldrausch

Die Perspektiven der Anwendungen sind atemberaubend, weshalb die Investitionen in Quantenentwicklungen von Jahr zu Jahr steigen. Der globale Markt für Quantencomputing wurde 2018 auf 81,6 Millionen US-Dollar geschätzt. Experten von Market.us prognostizieren, dass er bis 2026 381,6 Millionen US-Dollar erreichen wird. Das bedeutet, dass er im Durchschnitt zwischen 2019 und 2026 jährlich um 21,26 % wachsen wird.

Dieses Wachstum wird durch den zunehmenden Einsatz von Quantenkryptographie in Sicherheitsanwendungen angeregt und ist auf Investitionen von Marktinteressierten im Bereich der Quantencomputing zurückzuführen. Bis Anfang dieses Jahres hatten laut einer Analyse der wissenschaftlichen Zeitschrift Nature private Investoren mindestens 52 Unternehmen im Bereich Quanten-technologien weltweit finanziert. An der Entwicklung eines praktisch anwendbaren Quantencomputers arbeiten große Akteure wie IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel und D-Wave Systems.

Ja, während die Gelder, die jährlich in diesem Bereich fließen, aktuell geringere Aufwendungen darstellen (zum Vergleich: 2018 betrugen die Investitionen in KI 9,3 Milliarden US-Dollar). Aber diese Zahlen sind für eine noch nicht ausgereifte Branche, die noch keine Effizienzkennzahlen vorweisen kann, bedeutend.

Lösung quantenmechanischer Probleme

Es ist wichtig zu verstehen, dass sich die Technologie derzeit noch in einem frühen Entwicklungsstadium befindet. Bisher wurden nur Prototypen von Quantenmaschinen und einige experimentelle Systeme entwickelt. Diese sind in der Lage, festgelegte Algorithmen niedriger Komplexität auszuführen. Der erste 2-Qubit-Computer wurde 1998 geschaffen, und die Menschheit benötigte 21 Jahre, um die Geräte auf das erforderliche Niveau, das sogenannte „Quantenüberlegenheit“, zu bringen. Dieser Begriff wurde von Professor John Preskill vom California Institute of Technology geprägt und bedeutet die Fähigkeit von Quanten-Geräten, Probleme schneller zu lösen als die leistungsstärksten klassischen Computer.

Der Durchbruch in diesem Bereich wurde von dem kalifornischen Unternehmen Google erzielt. Im September 2019 gab die Corporation bekannt, dass ihr 53-Qubit-Gerät Sycamore in 200 Sekunden eine Berechnung durchgeführt hat, für die der modernste Supercomputer 10.000 Jahre benötigt hätte. Diese Aussage löste viele Debatten aus. Bei IBM waren solche Berechnungen kategorisch nicht einverstanden. In ihrem Blog schrieb das Unternehmen, dass ihr Supercomputer Summit diese Aufgabe in 2,5 Tagen bewältigen kann. Und alles, was dafür nötig ist, ist eine Erhöhung der Speicherkapazität. Obwohl sich die tatsächliche Differenz nicht als so gewaltig herausstellte, erreichte Google tatsächlich als erstes Unternehmen das „quantenmechanische Überlegenheitsprinzip“. Dies ist ein wichtiger Meilenstein in der Computerforschung. Aber nicht mehr als das. Der Erfolg von Sycamore ist ausschließlich demonstrativen Charakters. Er hat keine praktische Anwendung und ist für die Lösung realer Aufgaben nutzlos.

Das Hauptproblem ist die Hardware. Während traditionelle Recheneinheiten die Werte 0 oder 1 haben, können Qubits in der seltsamen Quantenwelt gleichzeitig in beiden Zuständen sein. Dieses Merkmal wird Superposition genannt. Qubits sind wie sich drehende Kreisel: Sie drehen sich sowohl im Uhrzeigersinn als auch gegen den Uhrzeigersinn und bewegen sich sowohl nach oben als auch nach unten. Wenn Sie das verwirrend finden, sind Sie in bester Gesellschaft. Richard Feynman sagte einmal: „Wenn Sie denken, Sie verstehen die Quantenmechanik, dann verstehen Sie sie nicht.“ Mutige Worte von einem Mann, der den Nobelpreis für ... Quantenmechanik erhielt.

So sind Qubits extrem instabil und anfällig für äußere Einflüsse. Ein Auto, das vor den Fenstern des Labors vorbeifährt, der interne Geräusch des Kühlsystems, ein durchfliegendes Teilchen aus dem Weltraum — jede zufällige Störung, jede Interaktion stört ihre Synchronität und sie dekohärentieren. Dies ist für Berechnungen verheerend.

Die zentrale Frage für die Entwicklung der Quantencomputing-Technologie besteht darin, welche Hardware-Lösung aus den vielen untersuchten die Stabilität der Qubits gewährleisten kann. Wer das Problem der Kohärenzverletzung löst und Quantencomputer genauso weit verbreitet macht wie Grafikkarten, wird den Nobelpreis erhalten und der reichste Mensch der Welt werden.

Der Weg zur Kommerzialisierung

Im Jahr 2011 begann das kanadische Unternehmen D-Wave Systems Inc. als erstes, Quantencomputer zu verkaufen, obwohl ihre Nützlichkeit auf bestimmte mathematische Probleme beschränkt ist. In den kommenden Monaten werden Millionen von Entwicklern Quantenprozessoren über die Cloud nutzen können — IBM hat versprochen, Zugang zu seinem 53-Qubit-Gerät zu gewähren. Im Rahmen des Programms namens Q Network haben bisher 20 Unternehmen diese Möglichkeit erhalten. Darunter befinden sich der Technikhersteller Samsung Electronics, die Automobilhersteller Honda Motor und Daimler, die Chemieunternehmen JSR und Nagase sowie die Banken JPMorgan Chase & Co. und Barclays.

Die meisten Unternehmen, die heute mit Quantencomputing experimentieren, betrachten es als einen integralen Bestandteil der Zukunft. Ihre Hauptmission besteht darin, herauszufinden, was im Quantencomputing funktioniert und was nicht. Und sie sind bereit, als Erste die Technologie in die Wirtschaft zu integrieren, wenn sie bereit ist.

Transportorganisationen. Volkswagen entwickelt gemeinsam mit D-Wave eine Quantenanwendung — ein Verkehrsmanagementsystem. Das neue Programm wird öffentlichen Verkehrsorganisationen und Taxiunternehmen in großen Städten ermöglichen, ihren Fuhrpark effizienter zu nutzen und die Wartezeiten für Passagiere zu minimieren.

Energiesektor. ExxonMobil und IBM fördern den Einsatz von Quantencomputing in der Energiebranche. Sie konzentrieren sich auf die Entwicklung neuer Energietechnologien, die Verbesserung der Energieeffizienz und die Reduzierung von Treibhausgasemissionen. Die Größenordnung und Komplexität der Herausforderungen, mit denen der Energiesektor konfrontiert ist, übersteigen die Möglichkeiten moderner herkömmlicher Computer und eignen sich gut für Tests auf Quantencomputern.

Pharmazeutische Unternehmen. Accenture Labs arbeitet mit 1QBit, einem Entwickler von Quantensoftware, zusammen. In nur zwei Monaten wechselten sie von der Forschung zur Konzeptprüfung — der Anwendung einer App zur Modellierung komplexer molekularer Wechselwirkungen auf atomarer Ebene. Dank der Leistung des Quantencomputings besteht die Möglichkeit, größere Moleküle zu analysieren. Was bringt das der Gesellschaft? Innovative Medikamente mit geringeren Nebenwirkungen.

Der Finanzsektor. Technologien, die auf den Prinzipien der Quantenmechanik basieren, ziehen zunehmend das Interesse der Banken auf sich. Sie sind daran interessiert, Transaktionen, Geschäfte und andere Datentypen so schnell wie möglich zu verarbeiten. Barclays und JP Morgan Chase (mit IBM) sowie NatWest (mit Fujitsu) führen bereits Experimente zur Entwicklung spezialisierter Software durch.

Die Akzeptanz solcher großer Unternehmen und das Auftreten unternehmerischer Quantenpioniere sprechen für die kommerzielle Lebensfähigkeit der Quanten. Wir sehen bereits, wie Quantenberechnungen für reale Probleme eingesetzt werden – von der Verbesserung der Energieeffizienz bis zur Optimierung von Transportwegen. Und was wichtig ist, der Wert der Technologie wird mit ihrem Fortschritt steigen.

Quelle: habr.com