Die disruptive Kraft von Quantencomputing

2018 ist das entscheidende Jahr für Quantencomputer

| Autor / Redakteur: Kenny MacIver* / Ulrike Ostler

Andrew Fursman, CEO des Quantencomputing-Pioniers 1QBit, über den Anstieg der Rechenleistung, die Industrien verändern, unlösbare Probleme lösen und „von der Zukunft aus“ Security verschwinden lassen kann.
Andrew Fursman, CEO des Quantencomputing-Pioniers 1QBit, über den Anstieg der Rechenleistung, die Industrien verändern, unlösbare Probleme lösen und „von der Zukunft aus“ Security verschwinden lassen kann. (Bild: Jens Kristian Balle/Fujitsu)

Quantencomputing bewegt sich von der Physik-Theorie zur Geschäftsrealität. Andrew Fursman, CEO von 1QBit, skizziert im Interview, wie der versprochene Anstieg der Rechenleistung dazu beitragen könnte, einige der schwierigsten Probleme der Welt zu lösen.

Einige der größten Hightech-Unternehmen haben den erklärten, hohen Anspruch, sich den großen Herausforderungen der Menschheit zu stellen. Sie haben sich zum Ziel gesetzt, Innovationen zu entwickeln, die helfen, dem Klimawandel entgegenzuwirken, viele wichtige Krankheiten zu heilen, die Infrastruktur von Megacitys zu managen, die Versorgung der alternden Bevölkerung sicherzustellen und vieles mehr.

Aber ein wesentliches Hindernis steht ihnen letztlich im Weg. Viele Experten gehen davon aus, dass das Moore'sche-Gesetz, die Verdoppelung der Transistoren auf einem integrierten Schaltkreis alle zwei Jahre, spätestens in den 2020er Jahren außer Kraft gesetzt wird, so dass nur wenige dieser Herausforderungen ohne einen dramatischen Anstieg der Rechenleistung erreichbar sein werden. Für viele stellt das Rechnen mit Quanten, das die Eigenschaften der Quantenmechanik nutzt, die Chance auf eine technologische Revolution dar, die nicht nur den exponentiellen Gradienten der Rechenleistung steiler macht, sondern auch die Tür zu Lösungen öffnet, die nie in der Reichweite klassischer Computer waren oder kommen werden.

Unternehmen aus der ganzen Branche, von Pionierunternehmen wie D-Wave Systems bis hin zu etablierten Technologieführern wie IBM, Microsoft, Intel, Google und Fujitsu, bauen diese Maschinen der nächsten Generation beziehungsweise Interimssysteme, die vom Quanten-Computern inspiriert sind. Doch nur wenige Menschen haben einen besseren Überblick über diese sich schnell entwickelnde Welt als Andrew Fursman, der CEO von 1QB Information Technologies (1QBit) aus Vancouver, einem Unternehmen, das Software für das Quantencomputing entwickelt und dessen Plattform es Unternehmen wie The Dow Chemical Company, Biogen, RBS und Allianz ermöglicht, mit frühen Anwendungen zu experimentieren und die Natur und den Wert von Quantencomputern zu verstehen.

In der Tat sieht er 2018 als Wendepunkt für die Informationstechnologie, die einen enormen Einfluss auf Wirtschaft und Gesellschaft haben wird, bahnbrechende Anwendungen schaffen und die Wettbewerbslandschaft stören wird, aber auch einige gewaltige Herausforderungen für die kommenden Jahre darstellt.

Der Samen für eine Revolution

Seitdem Physiker in den 80er Jahren erstmals die Simulation eines Quantencomputers auf digitalen Plattformen vorschlugen, ist die Aussicht auf die Entwicklung einer echten Quantenmaschine groß. Aber erst in den vergangenen zehn Jahren, in denen riesige Mengen an Ressourcen und intellektuellem Kapital auf die Verwirklichung dieses Ziels ausgerichtet wurden, ist die Theorie Wirklichkeit geworden - und das aus gutem Grund.

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Über Andrew Fursman

„Die Grundlagen dieser Geräte waren unglaublich schwierig zu bauen“, sagt Fursman im Interview-Video. So ist in einem klassischen Computer die Grundeinheit eines Bits im Wesentlichen ein Ein-Aus-Schalter, der in einem Halbleiter wie Silizium elektromagnetisch erzeugt werden kann. In einem Quantensystem jedoch ist die Erzeugung eines Quantenbits oder Qubits, mehr als schwierig, zum Beispiel muss zumeist eine Supraleitfähigkeit hergestellt werden, und zudem kann es in mehreren Zuständen gleichzeitig existieren. Noch schwieriger ist es, mehrere Qubits miteinander zu verknüpfen.

Fursman sagt: „Wir sind alle auf der Suche nach dem idealen Weg, um diese grundlegende Einheit des Rechnens für dieses neue Paradigma zu bauen und was nach unglaublichen Skalierungseigenschaften aussieht.“ Aber das Gefühl, was gerade möglich sein könnte, ist gewachsen, da die Anzahl der verknüpften Qubits in IBM-Maschinen auf 50 gestiegen ist. „Wir kommen gerade an den Wendepunkt, der zeigt, dass sich die harte Arbeit gelohnt hat“, Jetzt ist alles zu haben und alles kann passieren."

Fursman glaubt, dass Punkt schon recht kurz bevorsteht, an dem Quantencomputer die herkömmliche Computertechnik in bei der Lösung einiger Probleme bereits übertreffen werden (siehe: Vorglühen im Quantencomputing, D-Wave knackt mit 2.048-Qubit Prozessor bisher unlösbares Magnetismusproblem). „Ich denke, das wird eines der letzten Interviews sein, bei denen ich die Worte ´Wir haben diesen Überlegenheitspunkt nachweislich noch nicht erreicht´ sagen kann. Wir sind jenseits der Möglichkeiten klassischer Supercomputer, mehr Qubits zu simulieren, so dass der Moment der Quantenüberlegenheit bereits eingetreten sein könnte.“

Wie Fursman ausführt, können die größten Supercomputer jetzt in etwa die Größenordnung von 55 Qubits simulieren, aber jedes zusätzliche Qubit benötigt etwa doppelt so viel Rechenleistung. Gleichzeitig hat sich die Zahl der Qubits auf Universalmaschinen von einstelligen Zahlen im Jahr 2016 auf etwa 50 im Jahr 2017 und 72 in diesem Jahr oder spätestens 2019 erhöht.

Warum IT-Führungskräfte dem Quantencomputing Aufmerksamkeit schenken sollten - jetzt

Doch warum müssen CIOs verstehen, was Quantencomputing bedeutet und warum jetzt? Zum einen, weil darin auch industrielle Potenzial steckt und zum anderen, weil die bisherigen Sicherheitsverfahren und -techniken die neue Zeit nicht überdauern werden.

Moore's Law, das seit drei Jahrzehnten das Leistungswachstum der IT vorantreibt, geht Berichten die Luft aus. Die Verdoppelung der Anzahl der Transistoren, die auf eine integrierte Schaltung gepackt werden können, stößt an ihre physikalischen Grenzen. Aber es ist der große Sprung in der Rechenleistung, den Quanten liefern werden, der das Interesse schärft.

Das Versprechen, die Omni-State-Verarbeitungsfähigkeit von Quantenbits (Qubits) auszunutzen, bedeutet, dass Unternehmen in der Lage sein werden, Anwendungen auf nahezu unvorstellbare Höhen zu skalieren und Probleme zu lösen, die weit außerhalb der Reichweite klassischer Computer liegen. “Es ist eine Herausforderung zu wissen, wo diese unglaublich steile Skalierung enden wird und was die derzeitigen Einschränkungen für eine bestimmte Methode des Aufbaus und der Verbindung von Qubits sind“, so Fursmann. „Wir gehen in eine unbekannte Zeit.“

Nicht nur dass die ersten kleinen Quantencomputer Antworten liefern, die mit einer klassischen Maschine nie wirklich möglich wären, die Aufregung ist in den Aktivitäten vieler großer Unternehmen spürbar. DowDuPont arbeitet beispielsweise mit 1QBit an der Entwicklung von Quantencomputer-Tools in den Bereichen Chemie und Materialwissenschaften. Und das Biotechnologie-Unternehmen Biogen erforscht quantengestützte Methoden, die die Entdeckung von Medikamenten für Krankheiten wie Multiple Sklerose, Alzheimer und Parkinson beschleunigen könnten.

Das Glühen

Ein Quantencomputer ist nicht wie der andere. Die zwei Hauptrichtungen wird auf der einen Seite von IBM vertreten, auf der anderen Seite von D-Wave und Fujitsu beispielsweise. Das eine ist das so genannte Schaltungsmodell (Quantum Gate Computer), bei dem die Geräte mit den Gattern gebaut werden, die wir in klassischen Computern sehen. Der andere Hauptpfad ist das „Quantenglühen“ (Annealer), das die in der Natur vorherrschende Tendenz nutzt, einen minimalen Energiezustand zu suchen.

Während ein skalierbarer Allzweck-Quantencomputer noch einige Jahre entfernt sein kann, haben Quantenentwicklungen rund um Annealer bereits kommerzielle Auswirkungen. Das kanadische Unternehmen D-Wave Systems beispielsweise verkauft seit einigen Jahren so genannte adiabatische Quantencomputer - das jüngste Modell verfügt über 2.000 (physikalische) Qubits.

Und das ist der Ansatz, der sich bestens zur Lösung von Optimierungsproblemen eignet. In der Logistik bedeutet das die Optimierung komplexer Lieferwege, in der Finanzwirtschaft die Optimierung von Investmentportfolios. Allein das würde die Beteiligung der britischen Bank RBS und des deutschen Finanzdienstleistungskonzerns Allianz an einer kürzlich durchgeführten Venture-Finanzierungsrunde bei 1QBit unter der Leitung des globalen ICT-Unternehmens Fujitsu erklären.

Es ist auch möglich, den Betrieb von Quantenmaschinen in Software auf einem klassischen Rechner mittels Quantenglühen zu simulieren. Fujitsu hat in Zusammenarbeit mit der University of Toronto den „Fujitsu Digital Annealer“ entwickelt, der kombinatorische Optimierungsprobleme schnell lösen kann, indem er 'quanteninspirierte' Designs auf ASIC-Chip-Technologie implementiert.

Fursman ist ein großer Fan. „Was ich am Fujitsu Digital Annealer so sehr liebe, ist, dass er alles nutzt, was wir bereits über den Aufbau klassischer Computersysteme wissen und ein Gerät bietet, das die gleichen Probleme löst wie ein Quantenglüher. Es weist den Weg zu den Leistungssteigerungen, die wir bei Quantencomputern sehen werden.“

Für Fursman gibt es noch einen weiteren großen Vorteil. „Durch die Spezialisierung eines ASICs können Anwender nicht nur ein spezielles Problem lösen, sondern auch lernen, in einem Modell zu rechnen, das durch ein völlig neues Rechenparadigma beschleunigt wird.“

Wissen, was los ist

Wenn die Skalierung der Qubits so weitergeht wie in den letzten Jahren, wird es nur einen flüchtigen Punkt geben, an dem sich die exponentiellen Kurven von Moores Gesetz und Quantum kreuzen. Doch sei das erst einmal geschehen, gebe es kein Zurück mehr. Für Optimierungen beispielsweise gebe es nur noch die Option Quantencomputing.

Klar gebe es auch bei herkömmlichen Computern viele „coole“ Fortschritte, wie die Verwendung fortschrittlicher Materialien wie Graphen, die das Gesetz von Moore retten oder sogar beschleunigen können. Doch letztlich dürfe sich der ITler nichts vormachen. „Supercomputer sind heute in der Lage, eine Quantenmaschine von etwa 50 Qubits zu simulieren, aber es gibt Probleme, die wir mit 10.000 Qubits lösen müssen. Wir können nicht auf Tausende von Zyklen des Moore'schen Gesetzes warten“, so Fursman.

Das bedeutet nicht unbedingt, dass klassische Computer von der Erde getilgt werden. Die beiden Computermodelle würden sich auf absehbare Zeit ergänzen, prognostiziert Fursman und nicht nur er. „Wir werden weiterhin klassische Computer haben, aber ihre Fähigkeiten werden durch Quanten-Coprozessoren erweitert, so dass wir auf dieser unterschiedlichen Ebene arbeiten und die unterschiedlichen Stärken und Schwächen beider nutzen können. Wir sollten Quantencomputer als Ko-Prozessoren betrachten.“

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Und noch einmal: Die Sicherheit ist dahin

Schon 1994 entwickelte der MIT-Mathematiker Peter Shor einen Quantenalgorithmus, der in der Lage ist, alle heutigen Verschlüsselungsverfahren zu knacken, die auf dem Factoring von Primzahlen basieren. Das aber heißt: Noch bevor ein Quantencomputer existiert, der Shor's Algorithmus ausführen kann, müssen Unternehmen über eine quantenresistente Verschlüsselung verfügen. Denn sie müssen erkennen, dass sie diesen Zeitpunkt nicht abwarten dürfen, dass sie „bereits von der Zukunft gehackt werden“, wie es Fursman ausdrückt.

Und er ergänzt: „Was ängstigt ist, dass Quantencomputer nicht nur in der Lage sein werden, die klassische Verschlüsselung zu knacken; sie werden zudem in der Lage sein, rückwirkend zu entschlüsseln und ältere Informationen, die für Jahre geheim bleiben sollten, offen zu zulegen. Also: Wenn jemand heute Zugang zu verschlüsselten Nachrichten hat, kann er irgendwann, alle Kommunikationen, die seit Jahren gesendet werden, entschlüsseln.“

Umgekehrt könnte Quantencomputing selbst in Form von quantensicheren Algorithmen helfen, die die bekannten Schwächen von Quantencomputern ausnutzen, um neue Verschlüsselungsmethoden zu entwickeln. Das lässt für Fursmann nur den Schluss zu: „IT- und Wirtschaftsführer müssen verstehen, worin diese Maschinen gut sind und welche Auswirkungen sie auf ihre Branche haben könnten.“

Hinweis: Der Artikel basiert auf mehreren Interviews von Kenny MacIver im Global Intelligence for the CIO von Fujitsu.

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