Quantum Computer: Wer sie braucht, was sie leisten, wann sie marktreif sind

Erst letzte Woche fand eine digitale Veranstaltung namens Quantum Summit statt, die der Branchenverband Bitkom organisiert hatte. Während der zwei Tage wurde in zahlreichen Vorträgen und Diskussionsrunden darüber gesprochen, wo Quantum Computing derzeit steht, wo es zum Einsatz kommen soll und wie es hierzulande und in Europa damit aussieht. Zusammengefasst lässt sich sagen, dass Europa und Deutschland gut vorbereitet auf das kommende Computerzeitalter sind. Was auch mit vorhandenen EU-Fördertöpfen zu tun hat, die seit 2018 in Quantum-Projekte investiert werden. Die Rede ist von einer Milliarde Euro, die noch bis 2028 ausgegeben werden sollen.

Diese zeitliche Komponente ist bestes Indiz dafür, dass wir auf erste ernstzunehmenden Quantenrechner wohl noch einige Jahre warten dürfen. Doch der Reihe nach: Wir zeigen mit diesem Beitrag, was Quantum Computing genau ist, wer es braucht und welche Anwendungen eines Tages realistisch sein werden.

Von-Neumann-Rechner versus Quantencomputer

Herkömmliche Computer arbeiten sehr binär und sehr sequentiell. Sie verstehen also nur „0“ und „1“, und das auch nur anhand von Befehlen, die hintereinander ausgeführt werden. Zwar existieren schon seit vielen Jahren Supercomputer, die deutlich schneller rechnen als der heimische PC, aber die Limitierung des sequentiellen Rechnens kennen auch die aktuell schnellsten Rechner der Welt. Und an dieser Stelle kommen Quantenrechner ins Spiel.

So ein Quantencomputer wie der IBM Quantum rechnet nämlich nicht mithilfe von Bits, sondern auf Basis eines sogenannten Qubit (Quantum Bit). Diese Quanten-Recheneinheiten können mehr als nur einen Zustand annehmen. Daraus resultieren quasi ungeahnte rechnerische Möglichkeiten, da sich Kalkulationen sehr viel schneller durchführen lassen als mit klassischen Computern. Diese basieren nämlich immer noch auf dem Von-Neumann-Funktionsprinzip und sind daher nicht in der Lage, sich von der hauptsächlich sequentiellen Arbeitsweise zu lösen.

Quantencomputer werden in speziellen Bereichen ihre Stärken ausspielen

Sieht man sich die Hauptanwendungsbereiche genauer an, spielen Quantencomputer vor allem dort ihre Stärken aus, wo hochkomplexe Berechnungen anfallen. Das ist zum Beispiel beim Ver- und Entschlüsseln von kryptografischen Funktionen der Fall. Also dort, wo sicherheitsrelevante Schlüssel dechiffriert werden, benötigen aktuelle Rechner deutlich mehr Zeit für die damit verbundenen Berechnungen. Ein Quantencomputer soll dazu viel eher in der Lage sein, da die hierfür notwendigen Berechnungen sehr viel paralleler ablaufen als auf einem aktuellen Supercomputer.

Ein weiterer interessanter Bereich, in denen Quantencomputer zum Einsatz kommen sollen, ist die Künstliche Intelligenz samt ihrer Disziplin Machine Learning. Denn gerade dort, wo KI-Rechner in einem ersten Schritt heute noch sehr aufwendig trainiert werden müssen, sollen quantenbasierte Rechner in der Lage sein, die notwendige Basis deutlich schneller bereitzustellen. Die Rede ist von abertausenden Bildern oder anderen Trainingsobjekten, die für das KI-gestützte Erkennen und Vergleichen analysiert, bewertet und ins KI-System überführt werden. Auch in diesen Fällen werden Quantencomputer ihren Von-Neumann-Rechnerpendants deutlich überlegen sein.

IBM legt die Messlatte an: Was heute schon möglich ist

Wieder einmal präsentiert sich IBM als Vorreiter, was das Quantum Computing betrifft. So ist „Big Blue“ bereits heute in der Lage, mithilfe seiner IBM Quantum Services interessierten Unternehmen eine Quantum-Umgebung bereitzustellen. Hierfür ist lediglich das Anmelden beim Cloud-gestützten Quantenrechner erforderlich, den Rest übernimmt die Rechnerumgebung von IBM. Damit lassen sich in einem ersten Schritt eigene Anwendungen entwickeln, um herauszufinden, ob sie im Vergleich zu heutigen Applikationen einen Mehrwert bieten können. Daimler und andere erste Unternehmen machen es bereits vor: Dort sind bereits erste Quantenprojekte entstanden, die mithilfe von IBM Quantum zeigen, wie die Zukunft des Rechnens aussehen wird. So entwickelt Daimler mithilfe der Quanten-Rechnertechnik neue Batterien für ihre elektrisch betriebenen Fahrzeuge. An einem ähnlichen Aufgabe arbeitet Mitsubishi Chemical. Dort entsteht eine ganz neue Art von Lithium-Oxygen-Batterien.

Diese Beispiele verdeutlichen vor allem eins: Der klassische Computer wird von Quantenrechnern nicht abgelöst, sondern idealerweise um neue Funktionen und Möglichkeiten ergänzt. Denn immer dort, wo Quantencomputer aufgrund ihrer parallelen Arbeitsweise erste schnelle Ergebnisse erzielen können, lassen sich diese von Supercomputern oder ähnlichen Rechnersystemen in einem zweiten Schritt in exakte Resultate überführen. Denn das ist es letztendlich, worauf es ankommt: Komplexe Aufgaben mathematisch schnellstmöglich einerseits und zuverlässig andererseits zu lösen. Nur dann leisten Applikationen auch das, was man von ihnen erwartet.

Alexander Kühn


Geschäftsführer & Inhaber der n-komm GmbH.

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