Quantum Computing – the next big thing!
Mai 4, 2021
Folgender Blogbeitrag zum Thema Quantum Computing wurde von Student Martin Blom im Rahmen eines Leistungsnachweises des CAS Disruptive Technology verfasst und enthält subjektive Färbungen. Bewertet wurde der Beitrag von Studiengangsleiterin Arijana Walcott und redigiert von der Redaktion des Institute for Digital Business.
Weshalb Quantum Computing: Moor’s law ist nicht mehr gültig?
Seit den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts gilt es als gegeben: Die Kapazität von Prozessoren, verdoppelt sich mindestens alle 24 Monate. Die Theorie ist als “Moor’s law” bekannt und wurde von Gorden Moor im Jahr 1965 formuliert. Seit rund 10 Jahren scheint diese Gesetzmässigkeit jedoch nicht mehr zuzutreffen.
Es werden zwar noch deutliche Fortschritte erzielt, aber es findet keine Verdoppelung mehr statt. Vor allem durch den Einsatz einer höheren Anzahl an Prozessoren, wird heute die, unter anderem für Modelle der Künstlichen Intelligenz benötigte, zusätzliche Rechenleistung erbracht. Dies ist durch die deutlich steigende Anzahl der Logical Cores in der folgenden Grafik erkennbar:
Quelle: Unveröffentlichtes Skript von Alexander Ilic, HWZ 2020
Dies hatte auch Jensen Huang, der CEO von Nvidia anlässlich der CES im Jahr 2019 bestätigt: “Moore’s Law isn’t possible anymore”, Jensen Huang, CEO Nvidia
Trotz besseren Algorithmen und effizienteren Grafikprozessoren ist dem weiter zunehmenden Bedarf an Rechenleistung nicht mehr zu begegnen. Dies ist auch eine Folge des Tunnelings, welche der Miniaturisierung (Anzahl Transistoren auf einem Chip) von klassischen Computerarchitekturen physikalische Grenzen setzt und durch konventionelle Bauweisen nicht zu überwinden ist. Die Forschung hat jedoch eine mögliche Lösung für dieses Problem gefunden: Quantum Computing.
Was ist Quantum Computing?
Komplexe Rechenprobleme können mit einem Quantencomputer (Englisch: Quantum Computer) um ein Vielfaches schneller gelöst werden. Ein Beispiel: Nach R.J. Huges (LA-UR-97-4986) kann ein Quantencomputer eine Verschlüsselung in weniger als 5 Minuten knacken, für welche aktuell rund 40 Jahre und nach Moor’s Law im Jahr 2042 immer noch 3 Tage benötigt würden.
Wir sind heute aber von einem Quantencomputer noch Jahre entfernt. Die Rechenleistung eines Quantencomputers basiert auf Quantenbits (kurz Qubit ganannt), aber dazu weiter unten mehr. Um die genannte Leistung zu erzielen, sind über 5’000 Qubits notwendig. Die führenden Unternehmen in diesem Bereich sind Google und Intel und diese haben bisher Computer mit rund 50 Qubits entwickelt.
Was sind nun Qubits?
Ihnen ist vermutlich der in der Informatik wichtige Begriff “Bit” bekannt. Ein Bit ist eine Binärzahl (0 oder 1), mit der alle Informationen dargestellt werden können. Analog dem klassischen Bit bei herkömmlichen Computern, dient das Qubit als kleinstmögliche Speichereinheit und definiert gleichzeitig das Zweizustands-Quantensystem.
Wie funktioniert Quantum Computing?
Quantencomputer nutzen das seltsame Verhalten von subatomischen Partikeln. Diese Partikel haben die Eigenschaft, sich in einem Zustand zu halten, welcher unbestimmt ist (Zweizustands-Quantensystem).
Im Jahr 1935 hat Erwin Schrödinger dies in einem Gedankenexperiment am Beispiel einer Katze verdeutlicht, welche gleichzeitig lebendig und tot ist. Jedoch ist bis zum Zeitpunkt der Messung nicht klar, welcher Zustand die Katze tatsächlich hat. Dieses quantenmechanische Messproblem ist auch heute noch nicht befriedigend verstanden.
Quelle: Wikipedia, Schrödingers Katze
In der Quantenphysik wird dieser Zustand als Superposition bezeichnet. Partikel können den einen oder den anderen Zustand annehmen durch spin-up oder spin-down. Spins sind in der Teilchenphysik die Eigendrehimpulse von Teilchen.
Für Quantum Computing reicht es jedoch nicht aus, nur die Quantenzustände zu verstehen. Wir müssen in der Lage sein, mit Qbits auch Rechenoperationen durchzuführen. Das erfolgt mit Hilfe von sogenannten Quantengatter (Englisch: Quantum logic gates). Die wichtigsten Quantengatter sind, ähnlich wie bei herkömmlichen Computern, die Operationen AND, OR and NOT.
“Dieser Blog verzichtet darauf, dies weiter zu vertiefen. Für Interessierte empfehle ich das Essay Quantum Computing for the very curious von Andy Matuschak und Michael Nielsen.”
Die Zukunft des Quantum Computing
“The race is on”. IBM präsentierte im Jahr 2019 den ersten kommerziell nutzbare Quantencomputer. Dieser verfügt über 20 Qubits. Seither wurden weitere Fortschritte erzielt, so hat Intel zum Beispiel einen Computer mit 49 Qubits entwickelt. Dennoch erwartet aber auch Intel eine echte Kommerzialisierung erst ab dem Jahr 2025:
Quelle: A timeline of Quantum Computing, Intel 2020
Zum Abschluss dieses Blogs noch folgendes: Auch in der Schweiz gibt es Startups die am Thema Quantum Computing ganz vorne mit dabei sind. Mehr dazu auf der Website von SwissQuantum.
About the Author: Martin Blom
Martin Blom ist CFO der Sihl Gruppe, einer global führenden Qualitätsanbieterin für bedruckbare Medien im Digital-Druck Markt. Im Rahmen seines HWZ-Studiums (MAS Digital Business) absolvierte er bisher erfolgreich die Lehrgänge CAS Digital Leadership, CAS AI Management und das CAS Disruptive Technologies.
Martin Blom, CAS Disruptive Technologies Absolvent
CAS Disruptive Technologies
Der CAS Disruptive Technologies ermöglicht innovative Technologien und Konzepte einzuordnen und als Führungspersönlichkeit die notwendigen Mechanismen so weit zu durchdringen, dass eine Umsetzung in Form von Projekten und Produkten im eigenen Unternehmen zielführend erfolgen kann. Themen wie Big Data & Data Science, Swarm Intelligence, Digital Security sowie Wearable Computing oder 3D Printing gehören zu den Inhalten. Die Teilnehmenden werden zudem in die Grundlagen der Innovation und ins Management der Kreativität eingeführt.