Quantum Computing auf dem Web Summit

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Stellen Sie sich einen Computer vor, der das anspruchsvollste Netzwerk in wenigen Sekunden knacken könnte. Perfekte Modellierung komplexer Wetter- und Ökosysteme.Was könnte man mit solch einer Rechenleistung alles machen? Neue Medikamente erfinden? Simulationen mehrerer Universen? Wie sieht es mit der Optimierung Ihres Anlageportfolios aus?

Seit einigen Monaten gibt es einen Durchbruch nach dem anderen, die diese Science-Fiction-Szenarien Realität werden lassen. Erst letzten Monat gab Google bekannt, dass sie “Quantum supremacy” – die “Quantenherrschaft” übernommen hätten und von ihnen eine Berechnung, für die die leistungsstärksten Supercomputer normalerweise 10.000 Jahre gebraucht hätten, in nur 200 Sekunden berechnet wurde.

Unternehmen wie Rigetti Computing bringen uns dem demokratisierten Quantum in der Cloud immer näher.

Aber was genau ist Quanten-Computing?

Eine neue Art von Computer. Ein Quantencomputer arbeitet auf eine grundlegend andere Weise als ein klassischer Computer. Im klassischen Computing ist ein “Bit” ein winziger Teil der binären Informationen, entweder eine Eins oder eine Null. Ein “qubit” – oder ein Quantenbit – ist die neuere Version dieser Idee. Im Gegensatz zu Binärbits, die ein Entweder-Oder-Szenario sind, verwenden Qubits eine “Überlagerung”, die es ihnen ermöglicht, sich in mehreren Zuständen gleichzeitig zu befinden.

Denken Sie an die beiden Möglichkeiten eine Münze zu werfen: Kopf oder Zahl. Denken Sie nun an eine sich drehende Münze – wo beide Seiten gleichzeitig vorbeifliegen. Das ist eine Überlagerung. Und Überlagerung bedeutet Schnelligkeit.

Während ein klassischer Computer Tausende von Schritten benötigt, um ein schweres Problem zu lösen, kann ein Quantencomputer diese Aufgabe in nur zwei oder drei Schritten erledigen.

Um dies in Relation zu setzen, konnte IBMs Deep Blue den Weltmeister Gary Kasparov beim Schach mit 200 Millionen Zügen pro Sekunde schlagen. Im Vergleich dazu kann ein Quantencomputer bis zu einer Billion oder mehr errechnen.

Googles Quantensouveränität
Wenn ein Quantencomputer wesentlich leistungsfähiger ist als ein klassischer Computer, dann ist Googles Ankündigung zur Quantenherrschaft ein massiver Wendepunkt für die Zukunft des Computings.

Mit einem Rechner namens Sycamore und einem Chip aus 53 Qubits konnten die Google Forscher eine Aufgabe namens “random circuit sampling” (Zufallsstichproben) durchführen.

Dabei werden zufällige Operationen an den Qubits durchgeführt, “buchstäblich so, als ob der Code ihres Programms zufällig ausgewählt worden wäre”, wie der Informatiker Bill Fefferman von der University of Chicago erklärt.

Die Werte aller Qubits wurden dann gemessen und der gesamte Prozess wurde mehrfach wiederholt. Die resultierende Verteilung ist aufgrund von Quanteneffekten nicht zufällig und stellt eine exorbitante Herausforderung dar (ganz zu schweigen von der zeitaufwendigen Berechnung mit klassischen Computern).

Letztendlich dauerte es 200 Sekunden, bis Sycamore den Probenahmeprozess millionenfach wiederholte, während ein klassischer Supercomputer der Spitzenklasse fast 10.000 Jahre gebraucht hätte, um den gleichen Prozess abzuschließen. Aber Google ist bei weitem nicht alleine im Wettlauf um eine skalierbare Quantenherrschaft.

Rigetti Computing
Der kälteste Ort des Universums liegt im sonnigen Kalifornien.

Am Stadtrand von Berkeley. In einem riesigen Lagerhaus hängt dort ein großes weißes Rohr. Es ist eine von Menschenhand gefertigte Vorrichtung, ein kryogener Kühlschrank der nächsten Generation, der auf 0,003 Kelvin oder etwas nördlich des absoluten Nullpunktes gekühlt wird.

Das Rohr gehört zu Rigetti Computing, dem nächsten Unternehmen, das  darauf abzielt, Quantencomputer zu bauen.

Das Unternehmen startete 2013, als ein Physiker namens Chad Rigetti entschied, dass die Ära der Quantencomputer viel näher sei, als viele vermuteten und dass er derjenige sein wollte, der die Technologie über die Ziellinie schiebt.

In Verfolgung seiner Vision verließ Rigetti einen gut dotierten Job als Quantenforscher bei IBM, sammelte über 119 Millionen Dollar an Finanzmitteln und baute die kälteste Röhre der Geschichte. Über fünfzig Patentanmeldungen später stellt Rigetti heute integrierte Quantenschaltungen her, die direkt mit einem Quantencomputer in der Cloud verbunden sind.

Einer der größten und spannendsten Aspekte von Rigetti ist jedoch das Streben nach Demokratisierung des Quantencomputings.

Im Moment, wenn man auf Rigettis Website (www.rigetti.com) geht, kann man Forest, das Quantenentwickler-Kit, herunterladen. Das Kit bietet eine benutzerfreundliche Schnittstelle zur Quantenwelt.

Damit kann fast jeder ein Programm schreiben und auf Rigettis 32-Qubit-Computer ausführen. Bis heute wurden bereits über 120 Millionen Programme durchgeführt.

Und dieses Prinzip macht Schule. Andere Unternehmen folgen: Microsoft, IBM und Google haben jetzt Quanten-Cloud-Services eingeführt.

Also, wo sind wir jetzt mit Quantum Computing und wohin geht die Reise?
Auf dem Web Summit in Lissabon stellte Martin Hofmann, CIO der Volkswagen Group das “VW Quantum Routing” vor. Dieses System nutzt einen Quantencomputer und berechnet nahezu in Echtzeit die individuell schnellste Route für jedes der teilnehmenden Fahrzeuge. Die Fahrzeuge sollen so Staus frühzeitig erkennen und umfahren. Auf diese Weise sollen die Fahrzeit selbst in Stoßzeiten stark reduziert und der Verkehrsfluss verbessert werden.

Googles Ankündigung hat für große Aufruhr in der Gemeinschaft der Quantenberechnung gesorgt. Tatsächlich wird gerade der Begriff der “Quantenherrschaft” diskutiert, denn “Supremacy” bedeutet, dass Quantencomputer die traditionelle Berechnung ersetzen werden, anstatt als Ergänzung zu dienen.

Im Gegensatz dazu ist ein anderer häufig verwendeter Begriff (vorgeschlagen von Rigetti) “Quantenvorteil”. Nach Angaben des Unternehmens wird dieser Begriff verwendet, wenn ein Algorithmus, der auf einer Quantencomputerplattform läuft, entweder eine kürzere Zeit bis zur Lösung benötigt, eine bessere Qualität der Lösung oder niedrigere Kosten für die klassische Berechnung im Vergleich zum besten klassischen Algorithmus bietet.

In beiden Fällen bietet die Quantenberechnung enorme Vorteile gegenüber klassischen Computern in einer Reihe von Problembereichen.

Um eine Vorstellung von der Größenordnung zu geben: wenn alle Atome des Universums jeweils in der Lage wären, ein bisschen Information zu speichern, hätte ein 80-qubit-Computer mehr Informationsspeicherkapazität als alle Atome im Universum.

Und schon jetzt haben die aktuellen hochmodernen Quantencomputer, darunter Googles Sycamore und IBMs Q53, eine Anzahl von 53 Qubits erreicht.

Doch heute haben wir keine konkrete Vorstellung davon, welche Innovationen entstehen könnten, wenn das Quantencomputing im großen Stil beginnt. Aber was wir wissen, ist sehr verlockend.

Da Chemie und Physik Quantenprozesse sind, wird das Rechnen in Qubits das einleiten, was Simon Benjamin in Oxford “ein goldenes Zeitalter der Entdeckung neuer Materialien, neuer Chemikalien und neuer Medikamente” nennt. Es wird die heutigen Rechenzwänge der künstlichen Intelligenz überwinden, die Cybersicherheit grundlegend verändern und es uns ermöglichen, Systeme von beispielloser Komplexität zu simulieren.

Wie Chad Rigetti erklärt, “[Die Technologie] verändert die Wirtschaftlichkeit von Forschung und Entwicklung. Angenommen, Sie versuchen, ein neues Krebsmedikament zu entwickeln. Anstatt ein groß angelegtes Nasslabor zu bauen, um die Eigenschaften von Hunderttausenden von Verbindungen in Reagenzgläsern zu erforschen, werden Sie in der Lage sein, einen Großteil dieser Untersuchungen in einem Computer durchzuführen.”

Mit anderen Worten, die Lücke zwischen der experimentellen Frage und jeder neuen Lösung – ob neues Medikament, optimiertes Material oder personalisiertes Produkt – wird bald viel kleiner werden.

Wir dürfen optimistisch in die Zukunft schauen, denn die Ära des demokratisierten, skalierbaren und cloudfähigen Quantencomputings hat gerade erst begonnen!

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