Quantencomputing – Neues Paradigma oder Hype?
März 12, 2020
Aus dem Unterricht des EMBA Digital Leadership mit Dozentin Dr. Karin Vey berichtet Studentin Evelyn Eisenhauer.
Die Herausforderungen der Gegenwart verlangen nach immer leistungsfähigeren Rechnern. Der Quantencomputer gilt als Superhirn der Zukunft, der komplexe Probleme lösen soll, bei denen sogar Supercomputer an ihre Grenzen kommen. Weltweit arbeiten viele Forschungszentren, Industrieunternehmen und Start-ups an der Entwicklung eines universell einsetzbaren Quantencomputers – so mit IBM in Rüschlikon auch in der Schweiz. Den Standort durften wir im Rahmen der Study Tour Switzerland während eines Nachmittags besuchen. Mit Dr. Karin Vey, Senior Executive Consultant ThinkLab / IBM Research führten wir einen spannenden Diskurs zur Thematik des Quantencomputing.
Dieser Ansatz ist allerdings nicht neu, erträumt wurden Quantencomputer bereits vor fast 40 Jahren:
Nature isn’t classical, dammit, and if you want to make a simulation of nature, you’d better make it quantum mechanical.
Richard Feynman
Qubits , Superpositionsfähigkeit & Entanglement
Quantencomputer verarbeiten Informationen nicht in Form von binären Nullen und Einsen sondern auf Basis von Quantum-Bits oder kurz Qubits. Qubits verhalten sich wie künstliche Atome. Sie werden durch herkömmliche Computer gesteuert und mit Mikrowellenstrahlung angeregt, wodurch sie eine sogenannte Superposition einnehmen können. Der Wert von Qubits liegt mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit irgendwo zwischen null und eins. Der genaue Wert kann erst zum Zeitpunkt der Messung bestimmt werden, bis dahin hat ein Qubit mehrere Werte gleichzeitig. Diese spezifische Eigenschaft ermöglicht gleichzeitig mehrere Rechenvorgänge des Computers.
Wenn darüber hinaus mehrere Qubits quantenphysikalisch miteinander verschränkt sind, beeinflussen sich die Wahrscheinlichkeiten ihrer Zustände gegenseitig. In der Konsequenz nimmt die Zahl paralleler Rechenvorgänge noch einmal dramatisch zu. Voraussetzung dafür ist allerdings eine stabile Verschränkung möglichst vieler Qubits.
Die Rechenkraft der Qubits steigt durch die zwei Quantenphänomene Superpositionsfähigkeit und Verschränkung (Entanglement) exponentiell. Mit jedem zusätzlichen Qubit verdoppelt sich somit die Zahl möglicher Kombinationen und entsprechend die Rechenleistung eines Computers. Vergleichsweise dazu ändert sich die Rechenleistung eines herkömmlichen Mikroprozessors nicht durch lediglich einen zusätzlichen Transistor. Die Verdoppelung der Rechnerleistung erfordert auch die Verdoppelung der Bits.
Hoffnungsträger Quantentechnologie
Bereits heute sind in vielen Forschungszweigen hochkomplexe Simulations- und Optimierungsaufgaben zu lösen, die auf einen neuen Leistungssprung in der Computertechnologie dringend angewiesen sind. Ob in der Materialforschung, der Chemie oder der Planung von Verkehrsflüssen, die Anwendungsmöglichkeiten von Quantencomputing sind dabei ebenso verlockend wie vielfältig. Dr. Vey hat in ihrer Präsentation den Fokus auf die Bereiche Pharma und Finance gelegt:
- In der Pharmaindustrie ermöglicht Quantencomputing die Zusammensetzung von Molekülen zu völlig neuen, komplexen Medikamenten. Selbst mit den heutigen Supercomputern lassen sich nicht einmal die Eigenschaften eines vergleichsweisen simplen Moleküls wie Koffein berechnen. Dafür wären 1048 klassische Bits erforderlich, was dem 10-fachen der Erdmasse entsprechen würde. Die spezifischen Eigenheiten der Quantenphysik sorgen dafür, dass ein Computer mir nur 160 Qubits diese atemberaubende Rechenleistung durchführen könnte.
- Quantencomputer können das Finanzwesen beim Aussprechen von Empfehlungen und Entscheidungen auf ein neues Level heben. Marktprognosen und Risikoanalysen mit Blick auf Kreditausfälle und mögliche Börsencrashs stützen sich bereits heute auf optimierte Rechen- und Simulationsmodelle (z.B. Monte-Carlo-Simulation). Mittels Künstlicher Intelligenz (KI) lässt sich beispielsweise die Risikostreuung feinjustierten und erweitern. Grosse Datenmengen können durch den Einsatz von KI Abhängigkeiten und Wechselwirkungen besser erkennen und Frühwarnindikatoren bestimmen.
Herausforderung Quantentechnologie
Die Einsatzbereiche und die Versprechen der quantentechnologischen Revolution sind gross, die damit verbundenen Probleme und Herausforderungen aber auch. Stand heute, funktionieren Quantenchips nur in einer Laborumgebung. Sie sind durch Lärm, Vibrationen und elektromagnetische Spannungen sehr störungsanfällig und können selbst durch ein einzelnes Atom aus dem Takt gebracht werden. Im Betrieb müssen die Chips zunächst auf -273 Grad Celsius heruntergekühlt werden. Eine Temperatur, kälter als im Weltall und nur ein paar Milligrad über dem absoluten Nullpunkt.
Der eigentliche Chip steckt aus diesem Grund und zum Schutz vor Licht in einem Kryostaten. Eine Hülle in Form einer Tonne, die aus mehreren metallenen Schalen aufgebaute ist und in die zur Kühlung flüssiges Helium gepumpt wird. Die Materialien Aluminium und Niobium, die in einer nur 100 Nanometer dünnen Schicht auf Silizium aufgebracht werden, werden so zu Supraleitern und verlieren ihren elektrischen Widerstand.
Neben den rein physischen Faktoren spielt darüber hinaus die Fehlerrate eine grosse Rolle. Denn mit steigender Anzahl an Qubits steigt die Schwierigkeit, diese zu kontrollieren, sie also zusammenzuschalten. Quantenrechner machen winzige Fehler, die sich summieren. Jede tausendste bis hundertste Operation ist fehlerhaft, was bei enormen Rechenleistungen inakzeptable hoch ist. Einem logischen Qubit (gleich fehlerbereinigtes Qubit) entsprechen 1’000 physische Qubits. Für einen Quantenrechner mit einigen Tausend Qubits wären dann Hunderttausende Qubits einzig dafür nötig, die Fehler zu korrigieren.
Last but not least impliziert Quantencomputing weitreichende sicherheitstechnische Aspekte. Viele kryptografische Verfahren und auch die Blockhain-Technologie basieren auf Public-Key-Verschlüsselungsverfahren. Experten rechnen mit einem Zeithorizont von zehn Jahren, bis ein Quantencomputer die derzeit eingesetzten Verschlüsselungsverfahren für die digitale Signaturen der Blockhain innerhalb von 30 Minuten knacken kann. Vor diesem Hintergrund sind Investitionen in Quantenkryptografie angemessen.
IBM Q Experience & Entwicklungshorizont
Um die Forschung, die Ausbildung und die Demokratisierung im Bereich des Quantencomputing zu beschleunigen, bietet IBM mit Open-Source-Tools öffentlichen Zugang zu Quantencomputern mit einer Rechenleistung von 5 und 20 Qubits. Erste Schritte und Erfahrungen mit IBM Q und Qiskit können via quantumexperience.ng.bluemix.net und qiskit.org gemacht werden. Mit dem IBM Q System One verkauft IMB zudem einen ersten Quantencomputer an Rechenzentren.
Mehr und mehr Experten sind mittlerweile davon überzeugt, dass sich die technischen Hürden lösen lassen. Es wird allerdings noch viele Jahre dauern, bis ein universell einsetzbarer, fehlerkorrigierter Quantencomputer Wirklichkeit sein wird. Dr. Vey spricht von einem Zeithorizont von 10 bis 15 Jahren für die Entwicklung eines Quantencomputers mit 53 Qubits bzw. 50 logischen Qubits.
Aktuell ist es mit dem Quantencomputing daher noch ähnlich wie mit den Charakteristiken eines Qubit: Es ist da, zugleich aber auch nicht!