Jim Clark, Direktor für Quantenhardware bei Intel, mit einem der Quantenprozessoren des Unternehmens. Foto; Intel
- Quantencomputer sind eine äußerst spannende Technologie, die die Schaffung leistungsstarker Rechenkapazitäten zur Lösung bisher unlösbarer Probleme verspricht.
- Experten sagen, IBM sei führend im Bereich Quantencomputing, weshalb Google, Intel, Microsoft und viele Start-ups unter seinem Einfluss stehen.
- Investoren werden von Quantencomputing-Startups angezogen, darunter IonQ, ColdQuanta, D-Wave Systems und Rigetti, die den Markt revolutionieren könnten.
- Allerdings gibt es einen Haken: Moderne Quantencomputer sind in der Regel nicht so leistungsstark und zuverlässig wie heutige Supercomputer und erfordern zudem besondere Bedingungen zum Starten und Hochfahren.
Im Januar sorgte IBM für Aufsehen, als es das IBM Q System One ankündigte, den weltweit ersten für Unternehmen verfügbaren Quantencomputer. Das Gerät war in einem eleganten Glasgehäuse mit einem Volumen von 9 Kubikfuß untergebracht.
Dies ist ein wichtiger Meilenstein für Quantencomputer, die noch immer in Forschungslaboren stehen. Laut IBM möchten Käufer bereits die Technologie in die Hände bekommen, die in verschiedenen Bereichen vielversprechend ist: Chemie, Materialwissenschaften, Lebensmittelherstellung, Luft- und Raumfahrt, Arzneimittelentwicklung, Börsenprognosen und sogar Klimawandel.
IBM Q System One. Foto: IBM
Der Grund für die Aufregung liegt darin, dass ein Quantencomputer über scheinbar magische Eigenschaften verfügt, die es ihm ermöglichen, exponentiell mehr Informationen zu verarbeiten als ein herkömmliches System. Ein Quantencomputer ist nicht nur ein sehr schneller Computer; genauer gesagt handelt es sich um ein völlig anderes Rechenparadigma, das ein radikales Umdenken erfordert.
Sieger im Technologiewettlauf wird das Unternehmen sein, das die Chancen dieser Technologie nutzt. IBM, Microsoft, Google und andere Technologiegiganten sowie Startups setzen auf diese Technologie.
Business Insider fragte Bob Sutor, Vizepräsident von IBM Q Strategy and Ecosystem, wie man diese Systeme für Menschen zugänglich machen kann: Wie werden Menschen darauf zugreifen? Wie können viele Menschen lernen, Quantencomputer zur Erfüllung ihrer Aufgaben zu nutzen?
Es besteht kaum eine Chance, Quantencomputer in absehbarer Zeit im Büro zu sehen. Experten, mit denen wir gesprochen haben, gehen davon aus, dass Quantencomputing trotz der Verfügbarkeit für IBM noch fünf bis zehn Jahre dauern wird, bis Quantencomputing wirklich den Mainstream erreicht. IBM Q System One ist derzeit nur für ausgewählte Kunden als Cloud-Computing-Dienst verfügbar. Es wird einige Zeit dauern, bis Menschen so etwas kaufen und für ihre eigenen Zwecke nutzen können.
Tatsächlich sagen Experten, dass Quantencomputer vielversprechend sind, aber von einer Massenproduktion sind sie noch weit entfernt. Sie sind äußerst zerbrechlich und erfordern besondere Arbeitsbedingungen. Darüber hinaus sind Quantencomputer heute nicht so zuverlässig und leistungsstark wie die Computer, die wir bereits haben.
„Wir glauben, dass ein Quantencomputer in etwa zehn Jahren Ihr oder mein Leben verändern wird“, sagte Jim Clark, Direktor für Quantenhardware bei Intel, gegenüber Business Insider. — Tatsächlich befinden wir uns gerade erst auf der ersten Meile des Marathons. Das bedeutet nicht, dass wir uns darüber keine Sorgen machen.“
Was ist ein Quantencomputer?
Bill Gates sagte einmal, dass die Mathematik hinter der Quantenphysik sein Verständnis übersteige, aber nicht alle stimmten ihm zu.
„Es ist ein bisschen ein Missverständnis, dass Quantenphysik gleich Physik und zu kompliziert ist“, sagt Chris Monroe, CEO und Mitbegründer von IonQ, gegenüber Business Insider. „Was es für viele Menschen unverständlich macht, ist, dass es unverständlich ist, aber für mich ist es genauso unverständlich wie für Sie.“ Wenn etwas überlagert sein kann, bedeutet das, dass es sich gleichzeitig in zwei Zuständen befinden kann. Es ist seltsam, weil wir so etwas in der realen Welt nicht erleben.“
Die von uns verwendeten Computer zeigen Daten als eine Folge von Einsen oder Nullen an, die als Binärcode bezeichnet wird. Ein Quantencomputer kann jedoch Daten als 1, 0 oder, was am wichtigsten ist, als beide Zahlen gleichzeitig darstellen.
Wenn sich ein System gleichzeitig in mehr als einem Zustand befinden kann, spricht man von „Superposition“, einer der scheinbar magischen Eigenschaften des Quantencomputings. Das andere Schlüsselprinzip hier ist die „Verschränkung“, eine Quanteneigenschaft, die es zwei Teilchen ermöglicht, sich perfekt synchron zu bewegen, unabhängig davon, wie weit sie physisch voneinander entfernt sind.
Wie erklärt In Scientific American verbinden sich diese beiden Qualitäten zu einem Computer, der weit mehr Daten gleichzeitig verarbeiten kann als jedes System auf dem heutigen Markt.
Die Leistung eines Quantencomputers wird in Qubits gemessen, der Grundmaßeinheit eines Quantencomputers. So wie moderne Computer über 32-Bit- oder 64-Bit-Prozessoren verfügen (ein Maß dafür, wie viele Daten sie auf einmal verarbeiten können), verfügt ein Quantencomputer mit mehr Qubits über deutlich mehr Rechenleistung.
In einem Quantencomputer. Foto: IBM
Der Himmel ist die Grenze
All dies bedeutet, dass ein Quantencomputer Probleme lösen kann, die bisher durch die Rechenleistung begrenzt waren.
Beispielsweise könnte ein Quantencomputer grob das berühmte Problem des Handlungsreisenden lösen, ein komplexes Rechenproblem, bei dem es darum geht, vor der Rückkehr nach Hause den kürzesten Weg zwischen mehreren Städten zu finden. Es klingt einfach, aber wenn man es mathematisch betrachtet, wird es schwieriger, den einzigen optimalen Weg zu finden, je mehr Städte zu seiner Route hinzugefügt werden.
Ebenso könnte ein Quantencomputer die schwierigsten und zeitaufwändigsten Probleme lösen und riesige Mengen an Finanz-, Pharma- oder Klimadaten durchforsten, um optimale Lösungen zu finden. Tatsächlich arbeitet das Quanten-Startup D-Wave bereits mit Volkswagen zusammen, um Fahrmuster zu analysieren und riesige Mengen an Lärm zu sichten, um den Dingen auf den Grund zu gehen.
Sein Nutzen im Bereich der Kryptographie wird diskutiert. Ein Quantencomputer ist in der Lage, ein von einer bisher bekannten Chiffre abweichendes Verschlüsselungsverfahren zu beherrschen und so auch Staatsgeheimnisse problemlos zu entschlüsseln. Das Interesse weltweiter Regierungen an dieser nützlichen Funktion ist groß, während Aktivisten befürchten, dass das Aufkommen des Quantencomputings die Privatsphäre zerstören könnte.
Physikalisches Problem
„Da sich Quantencomputing noch in einem frühen Stadium befindet, gibt es viele Informationen, die noch unbewiesen sind“, sagte Matthew Briss, Vizepräsident für Forschung und Entwicklung bei Gartner. „Aber Käufer suchen bereits nach Anwendungen, um die Wettbewerbsvorteile des Quantencomputings für ihr Unternehmen zu ermitteln“, sagt er.
Trotz allem Hype sind Experten der Meinung, dass Quantencomputer bei Weitem nicht mehr so zukunftsweisend sind wie PCs in den 1950er-Jahren. Natürlich nehmen sie Fahrt auf, aber langsam.
„Quantencomputing kann mit einem langsam fahrenden Zug verglichen werden“, sagte Brian Hopkins, Vizepräsident und Chefanalyst bei Forrester, gegenüber Business Insider. „Wenn er sich einen Zoll pro Sekunde bewegt, dann wird er in einem Monat bereits zwei Zoll pro Sekunde überschreiten.“ Schon bald wird er anfangen, sich schneller zu bewegen.
Das große Problem besteht nun darin, dass ein Quantencomputer nichts tun kann, was ein klassischer Computer nicht könnte. Die Branche freut sich auf einen Moment namens Quantenüberlegenheit, in dem Quantencomputer über die aktuellen Grenzen hinausgehen.
„Wenn Kunden zu uns kommen, sagen sie uns vor allem, dass es ihnen egal ist, um welches Modell es sich handelt, solange es für ihr Unternehmen nützlich ist“, sagt Analyst Briss. — Es gibt kein Modell, das klassische Algorithmen übertreffen könnte. Wir müssen wirklich warten, bis sich die Quantencomputer-Hardware zu verbessern beginnt.“
IBM-Forschungsstipendiatin Katie Pooley untersucht den Kryostat, der Quantencomputern hilft, ihre Temperaturen niedrig zu halten. Foto: Andy Aaron, IBM
Das große Problem bleibt der Mangel an Rechenleistung. Es wird davon ausgegangen, dass die Quantenüberlegenheit einen Computer mit einer Leistung von 50 Qubits erfordert. Obwohl dieser Meilenstein im Labor erreicht wurde, ist er nicht dauerhaft und kann nicht aufrechterhalten werden. Tatsächlich können Qubits sowohl fehleranfällig als auch instabil sein, was zu Problemen bei ihrer Erzeugung führt und ihr Potenzial verringert.
Ein weiterer wichtiger Faktor ist mehr Material. Quantencomputer müssen für den Betrieb vollständig von ihrer Umgebung isoliert sein und benötigen sehr niedrige Temperaturen. Selbst kleinste Vibrationen können dazu führen, dass Qubits zusammenbrechen und aus der Überlagerung geraten, so wie ein Kind, das auf einen Tisch klopft, drehende Münzen auf den Tisch fallen lässt.
Bisherige Quantencomputer wie das IBM Q System One sind so sperrig, dass die notwendigen Isolations- und Kühlbedingungen zu einer echten Herausforderung werden. Verschärft wird dieses Problem durch den Mangel an notwendigen Komponenten: supraleitenden Kabeln und Niedertemperaturkühlschränken. Sie leiden unter großem Mangel.
Letztendlich bedeutet dies, dass Quantencomputing trotz verbesserter Kenntnisse und technologischer Fortschritte praktisch immer noch nicht realisierbar ist.
„Eine der Herausforderungen in meiner Arbeitsgruppe besteht darin, Materialien, Silizium und Metalle so zu manipulieren, dass wir eine sehr homogene Umgebung schaffen können“, sagte Clark von Intel. - Das ist im Grunde die beste Halbleitertechnologie. Die Technologien, die wir brauchen, um Quantencomputing in großem Maßstab zu entwickeln, existieren noch nicht.“
Ein weiteres Problem besteht darin, dass Quantencomputer das unbestreitbare Potenzial haben, unvorhergesehene Rechenleistung bereitzustellen. Es gibt jedoch nicht viele Menschen auf dieser Welt, die tatsächlich Erfahrung mit der Programmierung oder Bedienung dieser Systeme haben, und potenzielle Käufer sind fasziniert davon, herauszufinden, wie sie diese Systeme tatsächlich nutzen können.
Das große Quantenrennen
Analysten sagen, dass IBM aufgrund der begrenzten kommerziellen Verfügbarkeit des IBM Q System One derzeit das Quantencomputing-Rennen anführt. Da der Zugriff über die Cloud erfolgt, kann IBM diese besonderen Bedingungen einhalten, um die Funktionsfähigkeit dieses Quantencomputers aufrechtzuerhalten und gleichzeitig ausgewählten Kunden die Nutzung zu ermöglichen.
„Ich denke, dass [IBMs Quantencomputer] rockt“, sagte Analyst Briss. „Ich denke, das Quantencomputing-as-a-Service-Modell ist das richtige Modell.“ Indem sie es in einen Behälter füllen und gezielt behandeln, versuchen sie wirklich, die Qualität zu verbessern.“
Sarah Sheldon und Pat Gumann von IBM arbeiten an einem Auflösungskühlschrank, der Quantencomputer kühlt. Foto: IBM
Gleichzeitig weisen Analysten darauf hin, dass jedem Spieler auf diesem Markt jederzeit ein Durchbruch gelingen kann, der ihm den Aufstieg ermöglicht, und dass dies immer noch eine notwendige Rivalität ist.
Verschiedene IT-Giganten gehen dieses Problem unterschiedlich an. Intel, IBM, Google und das Quantencomputer-Startup Rigetti bauen Systeme auf Basis supraleitender Schaltkreise, angetrieben von hochmodernen Supercomputern.
verfolgt bei dem Versuch, ein besseres Qubit zu schaffen, einen völlig anderen und möglicherweise riskanteren Ansatz. Das topologische Qubit, das Microsoft zu erzeugen versucht, fragmentiert Elektronen, um Informationen an mehreren Orten gleichzeitig zu speichern, wodurch es stabiler und weniger anfällig für Zerstörung wird. Es sei weniger robust als das, was seine Konkurrenten zu bauen versuchen, aber das Ergebnis wäre ein großer Fortschritt für den gesamten Bereich des Quantencomputings, sagte Analyst Hopkins.
„Sie sind auf einem Glücksspiel und viele Leute denken, dass sie nie Erfolg haben werden“, sagte Hopkins.
Auf der abenteuerlicheren Seite setzen Startups wie IonQ und D-Wave auf Spitzentechnologien wie Ionenfallen und Quantenglühen. Vereinfacht gesagt versuchen sie auf unterschiedliche Weise, mit völlig neuen Methoden aus jedem Qubit mehr Leistung und Stabilität zu erzielen.
„Dadurch können wir einen Quantencomputer bauen, der komplexe Probleme löst und dabei kontinuierlich Fortschritte macht“, sagte Mark Johnson, Vizepräsident für Prozessor- und Quantenproduktdesign und -entwicklung bei D-Wave, gegenüber Business Insider.
Ein IBM-Quantenwissenschaftler geht durch das IBM Q Computing Center im Thomas J. Watson Research Center in Yorktown Heights, New York. Foto: Connie Zhou für IBM
Quanten-Startups
Der Aufschwung im Quantencomputing hat eine Welle des Investoreninteresses an entsprechenden Start-ups ausgelöst. Robert Sutor von IBM schätzt, dass es weltweit etwa 100 Quantensoftware-, Hardware- und sogar Beratungs-Startups gibt. Das ist zwar klein im Vergleich zum riesigen Startup-Markt, aber viel größer als zuvor.
„Ich bin schon lange in diesem Bereich tätig, von Anfang an“, sagte Monroe von IonQ. — Lange Zeit steckte es in den Kinderschuhen, bis es vor 5-8 Jahren Aufmerksamkeit erregte und große Investitionen anzog. Es wurde klar, dass die Zeit gekommen war.“
Chris Monroe, CEO und Mitbegründer des Quantencomputer-Startups IonQ. Foto: IonQ
Einige, wie Rigetti, sind bereit, sich mit ihren eigenen Quantenchips und hochentwickelten Quantencomputersystemen mit Technologietitanen messen zu können.
„Es ist der Kern unseres Geschäfts“, sagte Betsy Masiello, Vizepräsidentin für Produkte bei Rigetti, gegenüber Business Insider. — Es gibt viele Unternehmen im Quantenbereich, die an Softwareanwendungen im Bereich Quantencomputing arbeiten. Wir produzieren Mikrochips und bauen Computersysteme.“
Matthew Kinsella, Geschäftsführer von Maverick Ventures, sagt, er sei optimistisch im Bereich Quantencomputing. Sein Unternehmen ist sogar so weit gegangen, in ColdQuanta zu investieren, ein Unternehmen, das Geräte für Quantensysteme herstellt. Er erwartet, dass Quantencomputer innerhalb von fünf bis zehn Jahren die heutigen Systeme übertreffen werden. Maverick Ventures setzt auf Langfristigkeit.
„Ich glaube wirklich an Quantencomputer, auch wenn es möglicherweise länger als erwartet dauert, bis ein Quantencomputer bei der Lösung alltäglicher Probleme besser ist als ein herkömmlicher Computer. Wir werden wahrscheinlich in den nächsten Jahren die Vorteile von Quantencomputern bei der Lösung kleiner Probleme sehen“, sagte Kinsella.
Die 2000Q Systems-Labore von D-Wave. Foto: D-Wave
Kinsella erwartet ebenso wie die Analysten, mit denen wir gesprochen haben, einen sogenannten „Quantenwinter“. Es mag einen Hype um Quantencomputer geben, aber die Menschen machen sich große Hoffnungen, warnen Experten. Die Maschinen sind noch nicht perfekt und es wird Jahre dauern, bis die Anleger Ergebnisse sehen.
In der Perspektive
Auch jenseits der Quantenüberlegenheit versichern uns Experten, dass es immer noch einen Platz für traditionelle Computer und Supercomputer gibt. Bis dahin müssen noch Fragen zu Kosten, Größe, Zuverlässigkeit und Rechenleistung geklärt werden, bevor wir darüber diskutieren können.
„Wir müssen durchatmen“, sagte Analyst Briss. „In diesem Bereich passieren viele spannende Dinge, die Zeit in Anspruch nehmen.“ Es ist ein Konglomerat aus Physik, Informatik und, offen gesagt, wissenschaftlicher Analyse. Wir müssten das nicht untersuchen, wenn wir alle Antworten wüssten, aber es liegt noch viel Forschungsarbeit vor uns.“
Rigetti-Quantencomputer. Foto: Rigetti
Für viele ist jedoch klar, dass dies die Zukunft ist. So wie die Hersteller des ersten Großrechners nicht wussten, dass dies letztendlich zu mehr handflächengroßen Smartphones führen würde. Ein Quantencomputer könnte der erste Schritt auf einem völlig neuen Weg sein.
Nur wenige, wie Todd Holmdahl, Vizepräsident für Corporate Governance bei Microsoft, sind optimistisch genug, um zu sagen, dass dies heute von größerer Bedeutung sein könnte als künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen. Er sagte seinen Kindern immer, dass sie das tun sollten, wofür sie leidenschaftlich sind, und dass sie immer einen Job in der künstlichen Intelligenz bekommen könnten. Jetzt wird er dasselbe über Quantencomputing sagen.
„Dies ist ein Bereich, der sich weiterentwickeln wird. Wir brauchen Menschen, die es füllen und verhindern, dass es verkümmert“, sagte Holmdahl. „Es spielt eine wichtige Rolle in unserer Generation und gibt uns die Möglichkeit, in Zukunft erstaunliche Dinge zu schaffen.“
Source: habr.com