Eine der größten wissenschaftlichen Herausforderungen unserer Zeit ist das Wettrennen um die Schaffung des ersten nützlichen Quantencomputers. Tausende von Physikern und Ingenieuren sind daran beteiligt. Konzepte werden von IBM, Google, Alibaba, Microsoft und Intel entwickelt. Wie wird diese leistungsstarke Recheneinheit unsere Welt verändern und warum ist das so wichtig?
Stellen Sie sich für einen Moment vor: Ein voll funktionsfähiger Quantencomputer ist erschaffen. Er ist ein gewohnter und selbstverständlicher Bestandteil unseres Lebens geworden. Klassische Rechnereien werden nur noch in der Schule im Geschichtsunterricht erwähnt. Irgendwo tief in kalten Kellern betreiben mächtige Maschinen Qubits, um den Betrieb von Robotern mit künstlicher Intelligenz aufrechtzuerhalten. Diese erledigen alle gefährlichen und einfach monotone Aufgaben. Während Sie durch den Park spazieren, schauen Sie sich um und sehen allerlei Roboter. Menschliche Wesen führen Hunde aus, verkaufen Eis, reparieren elektrische Leitungen und kehren den Boden. Einige Modelle ersetzen Haustiere.
Wir haben die Möglichkeit erhalten, alle Geheimnisse des Universums zu entschlüsseln und in uns selbst zu blicken. Die Medizin hat ein neues Niveau erreicht – innovative Arzneimittel werden wöchentlich entwickelt. Wir können vorhersagen und bestimmen, wo knappe Ressourcen wie Gas und Öl zu finden sind. Das Problem der globalen Erwärmung ist gelöst, die Methoden zur Energieeinsparung sind optimiert, und in den Städten gibt es keine Staus mehr. Der Quantencomputer steuert nicht nur alle robotergestützten Maschinen, sondern gewährleistet auch einen reibungslosen Verkehr: Er überwacht die Verkehrssituation, passt Routen an und übernimmt im Notfall die Kontrolle über die Fahrer. So könnte das Quantenzeitalter aussehen.
Quanten-Goldrausch
Die Anwendungsperspektiven sind beeindruckend, weshalb die Investitionen in Quantenentwicklungen jedes Jahr wachsen. Der globale Markt für Quantencomputing wurde 2018 auf 81,6 Millionen US-Dollar geschätzt. Market.us-Experten gehen davon aus, dass dieser bis 2026 auf 381,6 Millionen US-Dollar anwachsen wird. Das bedeutet, dass er von 2019 bis 2026 im Durchschnitt um 21,26 % pro Jahr wachsen wird.
Dieser Anstieg wird durch die zunehmende Nutzung von Quantenkryptographie in Sicherheitsanwendungen gefördert und ist auf die Investitionen von Marktakteuren im Bereich der Quantencomputing-Technologien zurückzuführen. Zu Beginn dieses Jahres haben private Investoren laut einer Analyse der Fachzeitschrift Nature mindestens 52 Unternehmen im Bereich der Quanten Technologien weltweit finanziert. An der Entwicklung eines praktisch einsetzbaren Quantencomputers arbeiten große Akteure wie IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel und D-Wave Systems.
Ja, während die jährlichen Mittelzuflüsse in diesen Bereich derzeit relativ gering sind (zum Vergleich: Im Jahr 2018 beliefen sich die Investitionen in KI auf 9,3 Milliarden US-Dollar). Aber diese Zahlen sind entscheidend für eine noch junge Branche, die noch nicht mit Effizienzkennzahlen aufwarten kann.
Lösung quantenbasierter Probleme
Es ist wichtig zu verstehen, dass die Technologie derzeit noch in einem frühen Entwicklungsstadium ist. Bisher existieren nur Prototypen von Quantencomputern sowie einige experimentelle Systeme. Diese sind in der Lage, festgelegte Algorithmen geringerer Komplexität auszuführen. Der erste 2-Qubit-Computer wurde im Jahr 1998 entwickelt, und es hat 21 Jahre gedauert, um die Geräte auf das erforderliche Niveau des sogenannten "Quantenüberlegenheit" zu bringen. Dieser Begriff wurde von Professor John Preskill vom California Institute of Technology geprägt und beschreibt die Fähigkeit von Quantencomputern, Probleme schneller zu lösen als die leistungsfähigsten klassischen Computer.
Ein Durchbruch in diesem Bereich wurde von dem kalifornischen Unternehmen Google erzielt. Im September 2019 gab das Unternehmen bekannt, dass ihr 53-Qubit-Gerät Sycamore in 200 Sekunden eine Berechnung erledigte, für die der modernste Supercomputer 10.000 Jahre benötigt hätte. Diese Aussage führte zu vielen Kontroversen. Bei IBM widersprachen sie solchen Schätzungen entschieden. In ihrem Blog schrieben sie, dass ihr Supercomputer Summit eine solche Aufgabe in 2,5 Tagen bewältigen würde. Alles, was dafür nötig wäre, ist eine Erhöhung der Speicherkapazität. Obwohl die tatsächliche Differenz nicht so enorm war, erreichte Google tatsächlich als erstes Unternehmen „Quantenüberlegenheit“. Dies ist ein wichtiger Meilenstein in der computertechnologischen Forschung. Aber nicht mehr als das. Die Leistung des Sycamore ist rein demonstrativer Natur. Sie hat keine praktische Anwendung und ist für die Lösung realer Probleme nutzlos.
Das Hauptproblem ist die Hardware. Während traditionelle Berechnungselemente den Wert 0 oder 1 haben, können Quantenbits in der seltsamen Quantenwelt gleichzeitig in beiden Zuständen existieren. Dieses Phänomen wird Superposition genannt. Qubits sind wie sich drehende Kreisel: Sie drehen sich gleichzeitig im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn und bewegen sich auf und ab. Wenn Sie das verwirrend finden, sind Sie in guter 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.
Qubits sind also extrem instabil und anfällig für äußere Einflüsse. Ein vorbeifahrendes Auto vor dem Laborfenster, das interne Geräusch des Kühlsystems, ein vorbeifliegendes Teilchen aus dem Weltraum – jede zufällige Störung, jede Interaktion stört ihre Synchronität und sie dekohieren. Das ist katastrophal für Berechnungen.
Die zentrale Frage für die Entwicklung von Quantencomputern ist, welche der zahlreichen untersuchten Hardwarelösungen die Stabilität der Qubits gewährleisten kann. Wer das Problem der Kohärenzstörung löst und Quantencomputer so verbreitet wie Grafikkarten macht, wird den Nobelpreis erhalten und die reichste Person der Welt werden.
Der Weg zur Kommerzialisierung
Im Jahr 2011 war das kanadische Unternehmen D-Wave Systems Inc. das erste, das Quantencomputer zum Verkauf anbot, obwohl ihr Nutzen 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 bereits 20 Unternehmen diese Privilegien erhalten, darunter der Technologiekonzern Samsung Electronics, die Automobilhersteller Honda Motor und Daimler, sowie die Chemieunternehmen JSR und Nagase und die Banken JPMorgan Chase & Co. und Barclays.
Die meisten Unternehmen, die heute mit Quantencomputing experimentieren, betrachten es als eine wesentliche Komponente der Zukunft. Ihre Hauptmission besteht darin, herauszufinden, was im Quantencomputing funktioniert und was nicht. Sie möchten bereit sein, die Technologie in ihr Geschäft einzuführen, sobald sie marktreif ist.
Transportorganisationen. Volkswagen entwickelt gemeinsam mit D-Wave eine Quantenanwendung – ein System zur Verkehrssteuerung. Das neue Programm wird es öffentlichen Verkehrsunternehmen und Taxiunternehmen in Großstädten ermöglichen, ihre Fahrzeugflotte effektiver zu nutzen und die Wartezeiten für Fahrgäste 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. Der Umfang und die Komplexität der Herausforderungen, mit denen der Energiesektor konfrontiert ist, übersteigen die Fähigkeiten herkömmlicher Computer und eignen sich gut für Tests mit Quantencomputern.
Pharmaunternehmen. Accenture Labs arbeitet mit 1QBit, einem Entwickler von Quantensoftware, zusammen. Innerhalb von nur zwei Monaten wechselten sie von der Forschungsphase zur Konzeptvalidierung — der Anwendung einer Software zur Modellierung komplexer molekularer Interaktionen auf atomarer Ebene. Dank der Leistungsfähigkeit der Quantencomputer ist es möglich geworden, größere Moleküle zu analysieren. Was bringt das der Gesellschaft? Innovative Arzneimittel mit minimalen Nebenwirkungen.
Finanzsektor. Technologien, die auf den Prinzipien der Quantenmechanik basieren, ziehen zunehmend das Interesse der Banken auf sich. Diese sind daran interessiert, Transaktionen, Deals und andere Datenarten so schnell wie möglich zu verarbeiten. Barclays, JP Morgan Chase (mit IBM) und NatWest (mit Fujitsu) führen bereits Experimente zur Entwicklung spezialisierter Software durch.
Die Akzeptanz durch große Unternehmen und das Auftreten unternehmerischer Quantenpioniere zeugen von der kommerziellen Lebensfähigkeit der Quanten. Wir sehen bereits, wie Quantencomputing für reale Herausforderungen eingesetzt wird – von der Verbesserung der Energieeffizienz bis zur Optimierung von Transportwegen. Und was wichtig ist: Der Wert dieser Technologie wird mit der Weiterentwicklung steigen.
Quelle: habr.com
