Anwendungsfälle des Quantencomputings

Wenn jemand zum ersten Mal von der Quanteninformatik erfährt, kommen ihm meist mehrere Fragen in den Sinn. Die erste Frage lautet in der Regel: "Was ist Quantencomputing?" Mindestens eine der anderen Fragen betrifft die Frage, ob man mehr über Quantencomputing lernen muss oder nicht. Es kann sein, dass sich jemand für das Quantencomputing entscheidet, weil es für ihn interessant sein könnte. Fachleute aus der Wirtschaft fragen sich jedoch zu Recht, ob es Anwendungen gibt, die für ihr jeweiliges Unternehmen relevant sind. Geschäftsleute brauchen Anwendungsfälle, um die Zeit und die Kosten für Investitionen in eine neue Technologie zu rechtfertigen, ganz zu schweigen vom Quantencomputing.

Was ist Quantencomputing und seine Anwendungen?

Das Quantencomputing kann als eine hochspezialisierte Form der Berechnung betrachtet werden. Stark vereinfacht gesagt, führen Computer im Allgemeinen Berechnungen mit ihren Zentraleinheiten (Central Processing Units, kurz CPUs) durch. Es gibt jedoch spezialisierte Hardware für ganz bestimmte Arten von Berechnungen. Das bekannteste Beispiel ist die Grafikverarbeitungseinheit (Graphics Processing Unit, GPU), die häufig für die Bearbeitung von Videos, das Rendern von 3D-Grafiken, das Mining von Kryptowährungen und das Training von Modellen für maschinelles Lernen verwendet wird. Ein weiteres Beispiel ist die Tensor Processing Unit (TPU), die für sehr spezielle Anwendungen des maschinellen Lernens verwendet wird. Computernutzer, die keine derart spezialisierten Berechnungen benötigen, brauchen auch keine derartige Spezialhardware.

Auch Quantenverarbeitungseinheiten (Quantum Processing Units, QPUs) sollen für bestimmte Berechnungsarten nützlich sein. Sie werden CPUs ebenso wenig ersetzen wie GPUs und TPUs. Und wie bei GPUs und TPUs wird nicht jeder eine QPU benötigen. Aber wie bei GPUs und TPUs gilt auch hier, dass diejenigen, die QPUs benötigen, von ihrem Einsatz stark profitieren werden. Ein Ingenieur für maschinelles Lernen kann Modelle mit einer GPU viel schneller trainieren als mit einer CPU. Ein Chemiker wird eines Tages in der Lage sein, mit einer QPU viel größere Moleküle zu simulieren als mit einer CPU oder gar einem Supercomputer mit vielen GPUs.

Scott Aaronson, Teilnehmer der Solvay-Konferenz, sieht die Anwendungen des Quantencomputings in fünf Klassen:

1. Simulation von Quantenphysik und -chemie, einschließlich Werkstoffkunde

2. Kryptographie knacken

3. Optimierung

4. Maschinelles Lernen

5. Machbarkeitsnachweise

Einige Branchen, wie z. B. das verarbeitende Gewerbe, erforschen alle der oben genannten Möglichkeiten. Andere Branchen hingegen benötigen vielleicht nur einige wenige. Ein wichtiger Grund, sich heute mit Quantencomputing zu befassen, ist auf jeden Fall, dass man nicht nur einen potenziellen künftigen Vorteil gegenüber seinen Konkurrenten erlangen, sondern zumindest nicht ins Hintertreffen geraten und eines Tages einen Wettbewerbsnachteil erleiden möchte. Wie diese Wettbewerbsvorteile und -nachteile aussehen könnten, wird von Branche zu Branche unterschiedlich sein.

Welche Anwendungsfälle gibt es für das Quantencomputing?

Die fünf Anwendungsklassen des Quantencomputers dürfen nicht den falschen Eindruck erwecken, dass Quantencomputer nur begrenzte Anwendungsmöglichkeiten haben werden. Dies sind nur grobe Klassifizierungen. Innerhalb jeder dieser Klassen wird beträchtliche Forschung betrieben. In diesem Artikel werden bei weitem nicht alle aufgelistet, auch weil wir unmöglich wissen können, woran jedes Unternehmen und jede Universität forscht. Ein Großteil dieser Forschungsarbeiten wurde und wird jedoch veröffentlicht, so dass die folgenden Ausführungen lediglich dazu dienen sollen, das Spektrum der möglichen Anwendungsfälle des Quantencomputers zu erweitern. Im Folgenden werden einige aktuelle und potenzielle künftige Anwendungsfälle für das Quantencomputing vorgestellt.

Was die Simulation von Quantenphysik und Chemie, einschließlich der Materialwissenschaften, betrifft, so nehmen viele Branchen davon Kenntnis. Die Automobilindustrie beispielsweise ist an der Möglichkeit interessiert, bessere Batterien, einschließlich EV-Batterien und Solarzellen, sowie Kohlenstoffbindung, auch bekannt als "bessere Kohlenstoffabscheidung und geringere Kohlenstoffemissionen", und sogar rechnerische Flüssigkeitsdynamik (die auch für die Luft- und Raumfahrtindustrie von Interesse ist) herzustellen. Die Agrarindustrie ist beispielsweise an Themen wie Entsalzung, "verbesserte Bodennutzung für höhere Ernteerträge", Düngemittel und andere chemische Reaktionen, umweltfreundlichere Düngemittelproduktion und nachhaltige Entwicklung interessiert. Die pharmazeutische Industrie interessiert sich für chemische Katalysatoren, die Entdeckung molekularer Arzneimittel über kleine Moleküle hinaus, die Faltung von Proteinen und die Simulation von Molekülstrukturen.

Die Gefahr, dass die Kryptographie gebrochen wird, betrifft fast jeden. Defensive Kryptografie und "quantensichere" Post-Quantum-Kryptografie sind besonders für das Banken-, Finanz-, Gesundheits- und Versicherungswesen interessant. Wo Daten klassisch geschützt werden, besteht auch das Potenzial für künftige Quantenangriffe. Allein in der Pharmaindustrie sind Patientendaten, geistiges Eigentum, Finanzinformationen und vieles mehr potenziell gefährdet. Zu den Forschungsbereichen gehören Netzwerke, Zufallszahlengenerierung und Quantum Key Distribution (QKD). Und natürlich sind die Regierungen weltweit besorgt über die Auswirkungen auf die Geopolitik, die nationale Sicherheit und die nationale Verteidigung.

Überall dort, wo es ein Diagramm, einen Zeitplan oder eine Einschränkung gibt, besteht Bedarf an Optimierung. Geschäftsentwicklungsabteilungen in allen Branchen können von der Optimierung von Anzeigen, Treueprämien und Produktdesign profitieren. Hersteller, Großhändler, Lagerhäuser, Distributoren und Einzelhändler sowie die Transportbranche, auf die sie alle angewiesen sind, könnten von einer besseren Beladung von Frachtflugzeugen, logistischer Optimierung, einschließlich Versandlogistik, Routenoptimierung, Zeitplanoptimierung und Optimierung der Lieferkette profitieren. Darüber hinaus könnten Städte auf der ganzen Welt von Verbesserungen bei der Flughafensicherheit, der Optimierung der Infrastruktur, einschließlich der Optimierung des Stromnetzes, sowie der Optimierung des Verkehrsflusses, einschließlich der Optimierung von Buslinien, profitieren.

Schließlich ist das maschinelle Lernen für alle Branchen von Interesse, die mit großen Datenmengen arbeiten. Die Klassifizierung wird beispielsweise in der Medizin und bei der Strafverfolgung eingesetzt, aber auch zur Qualitätssicherung in der Fertigung und zur Vorhersage von Verkehrsmustern für autonome Fahrzeuge. Die Verarbeitung natürlicher Sprache (Natural Language Processing, NLP) ist ein leistungsfähiges Werkzeug für den Einzelhandel, das künstliche Intelligenz nutzt, um natürliche Sprache zu analysieren und Produkte zu empfehlen, zu verkaufen und weiterzuverkaufen. Und die Wettervorhersage, um nur einen weiteren Bereich zu nennen, findet Anwendung in der Landwirtschaft, im Luftverkehr, in der Forstwirtschaft, im Seeverkehr und in vielen anderen Bereichen.

Die Klassifizierung als Konzeptnachweis hat keine spezifischen Anwendungsfälle. Die allgemeine Idee ist, dass Quantencomputer eines Tages nützlich sein könnten, um die Durchführbarkeit von Methoden und Ideen usw. zu demonstrieren. In gewisser Weise kann der Deutsch-Jozsa-Algorithmus als Beispiel dienen. Dieser Algorithmus aus dem Lehrbuch der Quanteninformatik war der erste, der zeigte, dass Quantencomputer bestimmte Klassen von Berechnungen viel schneller durchführen können als klassische Computer. Der Algorithmus ist an und für sich wertlos; er kann nicht zur Lösung realer Probleme praktischer Natur verwendet werden. Er hat jedoch im Prinzip bewiesen, dass die Vorteile von Quantencomputern möglich sind.

Was ist der Nutzen des Quantencomputings?

Ein oft genannter Vorteil des Quantencomputers ist, dass er bestimmte Berechnungen viel schneller durchführen kann als die leistungsstärksten Supercomputer der Welt. In einigen Fällen ist der vorgeschlagene Vorteil extrem: Hunderte von Sekunden gegenüber Tausenden von Jahren.

Bei dem letztgenannten Beispiel ist eine klassische Berechnung nicht mehr durchführbar. Ein berühmtes Beispiel, das oft von Dr. Robert Sutor vom Classiq-Partner ColdQuanta angeführt wird, ist das Koffeinmolekül. Das Koffeinmolekül ist nicht riesig und gehört bei weitem nicht zu den größten Molekülen, die Wissenschaftler gerne simulieren würden, aber die vollständige Simulation dieses bescheidenen Moleküls würde einen Supercomputer erfordern, der aus 1-10 % der Masse des Planeten Erde besteht. Da es nicht machbar ist, ein so großes Stück der Erde oder sogar des Mondes zu zerstückeln, nur um einen Supercomputer zu bauen, können die Wissenschaftler derzeit nur Teilsimulationen durchführen.

Ein Quantencomputer hingegen würde nur 160 fehlertolerante Qubits benötigen, um ein Koffeinmolekül vollständig zu simulieren. Eine vollständige Simulation ist von viel größerem Wert als eine Teilsimulation. Und obwohl die Menschheit noch weit davon entfernt ist, einen fehlertoleranten 160-Qubit-Quantencomputer zu bauen, ist es weitaus praktischer, ein solches Gerät zu entwickeln, als genügend Asteroiden abzubauen, um einen Supercomputer von ausreichender Größe zu bauen.

Ein weiterer wunderbarer Vorteil von Quantencomputern findet in der Öffentlichkeit nur unzureichend Beachtung: Er ist umweltfreundlicher. Da ein Quantencomputer einige Berechnungen viel schneller durchführt als ein Supercomputer, verbraucht er "einen Bruchteil der Energie, die klassische Computer verbrauchen". Tatsächlich verbraucht die Quanteninformatik "nur 0,002 % der Energie eines Supercomputers". Wie Sie sehen, bietet das Quantencomputing die Möglichkeit, "denEnergieverbrauch in Rechenzentren erheblichzu senken."

Welche Möglichkeiten sehen Sie in der Quanteninformatik?

Viele der potenziellen Anwendungsfälle des Quantencomputings lassen sich nicht in eine von Professor Aaronsons Klassifizierungen einordnen. Nur einige dieser potenziellen Anwendungsfälle sind:

• Musik komponieren
• Defensive Entwicklung und Schutz des geistigen Eigentums durch Patente und Veröffentlichungen
• Versicherung gegen die Nicht-Einführung von Quantencomputern (Wettbewerbsnachteil) 
• Quanteninspirierte Algorithmen

Haben Sie schon von anderen Anwendungsfällen gehört, die für das Quantencomputing in Betracht gezogen werden? Wir garantieren, dass es noch mehr gibt. In der Tat ist diese Liste nur die Spitze des sprichwörtlichen Eisbergs. Für welche Zwecke erwägt Ihr Unternehmen den Einsatz von Quantencomputern?

Wie werden Quantencomputer die Welt verändern?

In gewisser Hinsicht verändern Quantencomputer derzeit die Welt. Erstens werden regelmäßig technische Durchbrüche verkündet. Unternehmen wie ColdQuanta verwenden Laser, um Atome auf Nano-Kelvin-Grade über dem absoluten Nullpunkt zu kühlen, um sie als Qubits verwenden zu können. Und das ist nur ein Beispiel; stellen Sie sich vor, wie all die technischen Durchbrüche, die sich aus der Quantencomputerindustrie ergeben, der Welt zugute kommen werden.

Zweitens: Die Quantenphysik geht von der Theorie zur Praxis über. Um noch einmal das Beispiel von ColdQuanta aufzugreifen: Physiker auf der ganzen Welt können Bose-Einstein-Kondensate (BEC), die auch als "Quantenmaterie" bezeichnet werden, mit ihrem über die Cloud zugänglichen Albert-System herstellen und damit experimentieren. Obwohl Albert kein Quantencomputer ist, wird sein jüngerer Cousin Hilbert ebenfalls die Technologie der ultrakalten Atome nutzen.

Außerdem macht die Informatik große Fortschritte. Seit Ewin Tang mit seinen Empfehlungssystemen ein Beispiel gegeben hat, haben sich Forscher von Quantenalgorithmen inspirieren lassen, um bestehende klassische Algorithmen zu beschleunigen. Dieser von der Quantenphysik inspirierte Ansatz bringt unmittelbare Vorteile mit sich, da klassische Algorithmen bereits heute implementiert werden können. Die Herausforderung besteht darin, wie schon nach Ewin Tangs Durchbruch, noch leistungsfähigere Quantenalgorithmen zu entwickeln.

Und schließlich sind Quantencomputer viel umweltfreundlicher als Supercomputer. Diese Schätzung beinhaltet übrigens die Implementierung einer extremen Kühlung und den damit verbundenen Stromverbrauch. Einige Qubit-Technologien arbeiten jedoch bei Raumtemperatur und können den Verdünnungskühlschrank überflüssig machen, was den Energieverbrauch weiter senken könnte.

Quantencomputer werden Personal Computer nicht ersetzen. Zahllose Anwendungen werden weiterhin auf aktuellen Geräten laufen, einfach weil es effizienter ist. Allerdings gehen die Anwendungsmöglichkeiten des Quantencomputers weit über das Ausrechnen von Zahlen und die unstrukturierte Suche hinaus. Die Zukunft des Quantencomputings sieht in der Tat rosig aus, und zwar für so gut wie jeden.