Qubits, raus aus dem Labor!

IBM Q System One macht das Quantencomputing industriell verfügbar

| Autor / Redakteur: Jürgen Frisch / Ulrike Ostler

So könnte ein Rechenzentrum, das mit „IBM Q“-Quantencomputern bestückt ist, aussehen.
So könnte ein Rechenzentrum, das mit „IBM Q“-Quantencomputern bestückt ist, aussehen. (Bild: IBM)

Sie simulieren chemische Moleküle, optimieren Verkehrsströme und ermöglichen Transaktionen mit verschlüsselten Daten: Quantencomputer stellen demnächst selbst Supercomputer in den Schatten. IBM hat die erste industrielle Variante vorgestellt.

Quantencomputer waren bislang vor allem für die Forschung interessant. Mit dem „IBM Q Systems One“ dürfte sich das ändern: Gemeinsam mit Partnern hat IBM ein System entwickelt, das eine der größten Herausforderungen im Quanten-Computing löst. Die Quantenzustände der Qubits lassen sich nun so lange aufrechterhalten und stabil verarbeiten, so dass eine kommerzielle Nutzung möglich wird.

„Wir sind mittlerweile in der vierten Generation unseres Quantencomputers angelangt und bei 20 Qubits“, erläutert Ingolf Wittmann, der als Chief Technology Officer bei IBM das Supercomputing-Business verantwortet. Um das System außerhalb von Laborumgebungen betreiben zu können, nutzt IBM eigene industriell gefertigte Komponenten.

Ingolf Wittmann, Chief Technology Officer bei IBM, bei dem Event „QU|BIT“ von E-Shelter im November des vergangenen Jahres.
Ingolf Wittmann, Chief Technology Officer bei IBM, bei dem Event „QU|BIT“ von E-Shelter im November des vergangenen Jahres. (Bild: Ultike Ostler/ Vogel IT-Medien GmbH)

Die durchschnittliche Genauigkeit hat der Qubits sich dabei laut Wittmann verdoppelt, gleichzeitig hat sich der Footprint, also der Platzbedarf und der Energieverbrauch des Systems, auf ein Drittel reduziert. Die Zeit für den Zusammenbau eines solchen Systems hat sich auf Zehntel reduziert. Somit kann Big Blue das IBM Q Systems One nun vergleichsweise einfach replizieren.

Moore’s Law erreicht die Quantenrechner

„IBM hat es als erster Anbieter auf die Reihe bekommen, wie Universal Qubits sinnvoll produziert und gekühlt werden“, erläutert Rüdiger Spies, Industry Analyst bei Crisp Research AG. „Das grundsätzliche Problem ist nun gelöst, jetzt geht es an die Skalierung.“ Eine Herausforderung sei jedoch nach wie vor das Ein- und Auskoppeln der Signale in die Schaltkreise über Mikrowellen. Dabei werde Energie zugeführt, was eine Erwärmung begünstigt, und gleichzeitig müssten Messungen stattfinden.

„2016 hatte IBMs Quantencomputer 16 Qubits, heute sind es 20“, führt Rüdiger Spies aus, Industry Analyst bei Crisp Research AG. „Das Moore’sche Gesetz, nach dem sich die Computerleistung alle 18 Monate verdoppelt, ist demnach inzwischen im Quantencomputing angekommen.“
„2016 hatte IBMs Quantencomputer 16 Qubits, heute sind es 20“, führt Rüdiger Spies aus, Industry Analyst bei Crisp Research AG. „Das Moore’sche Gesetz, nach dem sich die Computerleistung alle 18 Monate verdoppelt, ist demnach inzwischen im Quantencomputing angekommen.“ (Bild: Crisp Research)

Die Universal Qubits würden fast am absoluten Nullpunkt betrieben, dennoch dürfte das Ein- und Auskoppeln die Messungen nicht beeinflussen. Laut Spies ist das ein „ein physikalisches Problem, das sich lösen lässt.“ Der Analyst erwartet daher, dass es nur eine Frage der Zeit ist, bis zwei oder drei Qubits mehr pro System möglich sind.

Noch 2016 hatten die IBM-Systeme 16 Qubits, heute sind es 20. Jedes Qubit mehr entspricht einer Verdoppelung der Leistung. Spies schließt daraus, dass das Moore’sche Gesetz, nach dem sich die Computerleistung alle 18 Monate verdoppelt, inzwischen im Quantencomputing angekommen ist.

Tests mit 50 Qubits

Erste Tests führt IBM bereits mit Quantencomputern durch, die 50 Qubits umfassen. Ein solches System kann es in Sachen Rechenleistung mit dem im Juni 2018 eröffneten Supercomputer im amerikanischen Oak Ridge National Laboratory aufnehmen.

Dieser Supercomputer kommt auf 200 Petaflops beziehungsweise 200.000 Trillionen Kalkulationen pro Sekunde. Würden weitere Qubits hinzugefügt, könnte der Supercomputer nicht mehr mithalten.

Quantenrechner brauchen weniger Platz und Energie als Supercomputer

Selbst bei einem Gleichstand zwischen Supercomputer und Quantencomputer käme der unterschiedliche Footprint der Systeme zum Tragen: Die Stellfläche für IBM Q System One braucht ein Drittel der IBM-Q-Laborsysteme, und der Stromverbrauch liegt bei 10 Kilowatt. Der Supercomputer in Oak Ridge verbraucht etwa 13 Megawatt Strom und hat eine Stellfläche von 520 Quadratmetern.

Trotz dieses Unterschieds im Ressourcenbedarf geht Wittmann nicht davon aus, dass Quantencomputer mittelfristig die Supercomputer ablösen. „Quantencomputer können nur bestimmte Probleme sehr gut lösen, wenn es beispielsweise um das Simulieren chemischer Module oder um Optimierungsaufgaben in der Logistik geht“, erläutert Wittmann. „Sie dürften daher künftig für die klassischen Rechner als Akzeleratoren agieren, so wie es heute beispielsweise Grafikbeschleuniger machen.

Klassische IT-Systeme und Quantenrechner arbeiten im Team

Bei der Kooperation zwischen klassischen IT-Systemen und Quantencomputern stellt sich Wittmann ein iteratives Verfahren vor: „Den ersten Simulationsansatz gibt der Wissenschaftler vor und lässt ihn vom Quantencomputer berechnen. Anhand des Ergebnisses entscheidet ein klassischen IT-System auf Basis künstlicher Intelligenz, wie der nächste Rechenschritt aussieht.“

Mit diesem Verfahren habe IBM in der Vergangenheit gute Erfahrungen gemacht: „Bei Simulationen in der Chemie oder für Werkstoffe in der Automobilindustrie konnten wir die Berechungszeit auf ein Drittel reduzieren.“

Als weiteres Beispiel einer solchen Kooperation nennt Wittmann das Highspeed-Trading an der Börse, bei dem Computer in Millisekunden die Entscheidung treffen, ob sie eine Order platzieren oder nicht. „Lagert man die dazugehörige Risikoberechnung an einen Quantencomputer aus, bekommt man genauere Ergebnisse, gleichzeitig reduziert sich der Ressourcenbedarf für das High-Performance-Computing.“

Universelle Quantencomputer lösen die Annealer nicht ab

IBM Q System One ist ein so genannter universeller Quantencomputer, in dem sich die Qubits frei programmieren und für unterschiedliche Berechnungen nutzen lassen. In der Variante der Quantum Annealer kommen Single Purpose Qubits zum Einsatz, die sich ausschließlich für das Rechenproblem nutzen lassen, für das sie entwickelt wurden.

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Dafür sind die Single-Purpose-Qubits in der Handhabung einfacher. Der Hersteller D-Wave hat bereits 2016 einen Quantum Annealer mit 2000 dieser Qubits vorgestellt, den VW zum Optimieren von Verkehrsströmen in Barcelona einsetzen will.

Wittman nutzt gerne das Beispiel des Koffeinmoleküls: Dies ist so komplex, dass kein heute existierender Computer in der Lage ist, es zu modellieren oder seine detaillierte Struktur und Eigenschaften vollständig zu analysieren. Dies sei die Art von Herausforderung, die in Zukunft mit einem Quantencomputer bewältigt werden könnte. Klassischen IT-Systeme könnten das aufgrund des exponentiell steigenden Ressourcenbedarfs nicht.
Wittman nutzt gerne das Beispiel des Koffeinmoleküls: Dies ist so komplex, dass kein heute existierender Computer in der Lage ist, es zu modellieren oder seine detaillierte Struktur und Eigenschaften vollständig zu analysieren. Dies sei die Art von Herausforderung, die in Zukunft mit einem Quantencomputer bewältigt werden könnte. Klassischen IT-Systeme könnten das aufgrund des exponentiell steigenden Ressourcenbedarfs nicht. (Bild: Ulrike Ostler/Vogel IT-Medien GmbH)

Nach Ansicht von Wittmann werden die universellen Quantencomputer die Quantum Annealer nicht generell ablösen. Der Supercomputing Experte geht vielmehr davon aus, dass wir in der Quantentechnologie künftig unterschiedliche Ausprägungen sehen werden, zum Beispiel als Black Boxes, die bei der Verschlüsselung das bisherige Publik-Key-Verfahren ergänzen, oder in Systemen, die im Online-Gambling Zufallszahlen erzeugen, die sich im Gegensatz zu den heutigen heutigen Varianten nicht hacken lassen.

„Beschleunigt ein Quantencomputer eine Berechnung im Vergleich zu klassischen IT-Systemen dramatisch, kann es egal sein, ob es sich dabei um universelle Qubits oder um einen Quantum Annealer handelt“, erläutert Wittmann. „Es kommt sicherlich auch darauf an, wie schnell und zu welchem Preis sich ein entsprechendes Quantum System produzieren lässt.“

Von chemischen Simulationen bis hin zu verschlüsselten Transaktionen

Große Vorteile bringt ein Quantencomputer, wenn es um das Simulieren komplexer chemischer Moleküle geht. Man kann damit beispielsweise berechnen, wie wirksam ein bestimmtes Medikament im Körper des Menschen ist. Analyst Spies verweist auf ein weiteres Einsatzgebiet: Transaktionen mit verschlüsselten Dateien. Bisher löst IBM dieses Problem am Mainframe über einen Krypro-Koprozessor, der die Daten vor der Transaktion entschlüsselt und nachher wieder verschlüsselt. „Der Rechenaufwand für Transaktionen direkt mit verschlüsselten Daten ist eine Million mal höher als eine klassische Transaktion“, erläutert Spies.

Von Nutzen wäre eine verschlüsselte Datenverarbeitung beispielsweise dann, wenn Quantencomputer auf breiter Basis auch Hackern zugänglich sein sollten. Damit ließe sich ein noch größerer Teil des Internets abhören als heute. Wer auf Vertraulichkeit angewiesen ist, könnte zukünftig Transaktionen nutzen, bei denen die Daten an keiner Stelle des Transports und der Verarbeitung in unverschlüsselter Form vorliegen. Holomorphic Computing lautet hier das Stichwort.

Die Betriebskennzahlen für die Experimente auf den Quantencomputern „IBM Q“ sind öffentlich.
Die Betriebskennzahlen für die Experimente auf den Quantencomputern „IBM Q“ sind öffentlich. (Bild: IBM)

Mit Anwendergruppen im „IBM Q Network“ arbeitet IBM daran, das Quantencomputing in Wissenschaft und Wirtschaft populär zu machen. Systeme mit bis zu 16 Qubits sind im Open-Source-Umfeld unter dem Banner „IBM Q Experience“ frei verfügbar. Hier können Forscher ihre Theorien an einem physischen System testen. „Die einzige Bedingung, die ein Nutzer dafür erfüllen muss, ist ein bestimmer Skill-Level“, berichtet Wittmann. „Dieser entsteht über Tutorials, in denen sich ein Anwender Credit Points erarbeitet. Je mehr Credit Points er hat, desto größer ist das System, auf das er zugreifen darf.

Das IBM Q Network koordiniert Partner aus Industrie und Wirtschaft

Die Quantencomputer mit 20 Qubits sind ausschließlich über das IBM Q Network erhältlich, das Big Blue 2017 aus der Taufe gehoben hat. Dieses Netzwerk besteht aus mehreren Ebenen. Es gibt sogenannte Hubs, die direkt auf einen Quantencompouter zugreifen, und die ein Ökosystem aus Partnern in der Forschung und der Industrie managen. In Deutschland ist die Bundeswehr-Universität ein solcher Hub. „Mit den Hubs und deren Partnern vereinbart IBM, welche gemeinsamen Ziele in welchen Schritten erreicht werden sollen“, berichtet Wittmann.

Schritte für die kommerzielle Nutzung des IBM Q - neben Open-Source-Frameworks und -Tools gibt es die Möglichkeit der freien Nutzung per Cloud sowie ein Exklusiv-Angebot.
Schritte für die kommerzielle Nutzung des IBM Q - neben Open-Source-Frameworks und -Tools gibt es die Möglichkeit der freien Nutzung per Cloud sowie ein Exklusiv-Angebot. (Bild: IBM)

Die dritte Stufe sind exklusive Partnerschaften von Unternehmen mit IBM. In Deutschland hat Daimler als eines der ersten Unternehmen eine solche Partnerschaft geschlossen. Der Zugriff auf IBM Q Experience ist kostenlos, das IBM Q Network stellt 20-Qubit-Systeme, erweiterte Software sowie Kooperationen mit IBM Research zur Verfügung. Über Research-Kooperationsverträge werden die Zugriffe, die Rechenzeit sowie exklusiven Partnerschaften mit einem individuellen Pricing vereinbart.

Das Quantum Gate sammelt sich Rechenaufgaben aus dem Netzwerk

Über das „IBM Q Network“ findet das Quantencomputing Eingang in die Wirtschaft: Mitglieder übergeben ihr Problem über die Programmierumgebung „Qiskit“ beziehungsweise über „IBM Q Experience“ an das Quantencomputing-Rechenzentrum in Yorktown nördlich von New York. Da diese Schnittstelle auf Basis von Python arbeitet, kann IBM nach eigener Aussage im Gegensatz zu Mitbewerbern praktisch sämtliche Systeme daran anbinden.

Das ist eine Auswahl der IBM-Partner im „IBM Q Network“.
Das ist eine Auswahl der IBM-Partner im „IBM Q Network“. (Bild: IBM)

„Das Programmieren für Quantencomputer ist so ungewöhnlich kompliziert, dass es selbst viele Forschungsinstitute überfordert“, berichtet Spies. „IBM hat deshalb ein Interface entwickelt, das beispielsweise für Simulationen in der Chemie oder Materialforschung Systembibliotheken nutzt, die bisher auf klassischen Supercomputern zum Einsatz kommen. Diese Bibliotheken lassen sich mit normalen Programmen aufrufen, nutzen aber die Power der IBM Quantencomputers.“

* Jürgen Frisch ist ein freier Journalist aus Stuttgart.

Jürgen Frisch
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hoch interessant und kompAKT diee zusammenfassung danke Jochen Michels  lesen
posted am 31.01.2019 um 05:16 von Unregistriert


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