Probleme, Problemchen, Marktchancen und Fortschritte beim Quantencomputing Quantum: Der Winter des Missvergnügens ist vorbei

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2023 war für Quantum Computing kein gutes Jahr und die Investitionen wurden gebremst. Jetzt sind aber zahlreiche Probleme gelöst und es geht wieder aufwärts.

„Nun ward der Winter unseres Missvergnügens glorreicher Sommer durch die Sonne Yorks“ lautet der erste Satz im Königsdrama „Richard III.“ von William Shakespeare. Und wenn man York durch Quantum ersetzt, spiegelt der Ausspruch die Situation der Zukunftstechnologie gut wieder.

Im zweiten Quartal 2023 gab es nämlich laut Roman Pašek, Quantum Community Manager des tschechischen Unternehmens Amires, ein Beratungshaus finanziert von der EU, einen „Quantum Winter“ mit einem deutlichen Rückgang bei den Investitionen im Q3 und Q4 2023. Aktuell geht es in diesem Jahr aber wieder stark aufwärts.

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Auch das Marktforschungsinstitut Gartner hat im Oktober 2023 Quantencomputing im Gartner-Bericht über die 10 wichtigsten strategischen Technologietrends für das Jahr 2024 nicht berücksichtigt. Bart Willemsen, VP-Analyst bei Gartner, hält fest: „Von den vielen möglichen Kandidaten werden die Trends mit den größten Auswirkungen herausgefiltert, die ein kurzfristiges Handeln der Führungsetage erfordern. Die unmittelbare Reaktion auf das Quantencomputing wird im Jahr 2024 oder in den Jahren danach voraussichtlich keinen großen Handlungsbedarf zeigen.

Handlungsbedarf?

Quantencomputing befindet sich bereits seit langem in der Entwicklung, und obwohl die Hardware verfügbar ist, sind unsere Fähigkeiten, damit zu arbeiten, noch nicht so weit, dass kurzfristig eine Masseneinführung in großem Maßstab erwartet werden kann. Programmierkenntnisse sind nicht binär mit Einsen und Nullen, sondern mit jedem unendlichen Maß zwischen eins und null. Diese Entwicklungen brauchen Zeit. „Unsere QC-Analystengruppe ist der festen Überzeugung, dass wir noch vor Ende dieses Jahrzehnts die wahren Auswirkungen sehen werden, allerdings nicht innerhalb der derzeitigen Strategie-Reaktionszeit“, so Willemsen.

Eine Studie von Juniper Research vom September 2024 zeigt, dass der kommerzielle Umsatz mit Quantentechnologien von 2,7 Milliarden Dollar im Jahr 2024 auf 9,4 Milliarden Dollar im Jahr 2030 steigen wird. Die Studie prognostiziert jedoch auch, dass bis 2030 nur etwa 300 Quantencomputer in Betrieb sein werden, was auf das frühe Marktstadium und die hohen Einrichtungskosten zurückzuführen ist. Die Analysten haben AWS, Google, IBM, Intel, Microsoft und Quantinuum auf dem Schirm, kein europäisches und kein asiatisches Unternehmen.

Hochkarätiges auf dem Bitkom Quantum und AI Data Summit 24

Die ersten kommerziellen Quanten­computing-Apps entstehen

Am 20. September 2024 hat Gartner einen neuen Report herausgegeben, in dem ein Programm mit sieben Schritten vorgestellt wurde, um sich auf Quantum vorzubereiten.

1. Die Technologie verstehen. Machen Sie sich und Ihr Team mit den Grundlagen des Quantencomputings vertraut, heißt es dort. Verstehen Sie die Möglichkeiten, Grenzen und Arten von Problemen, die damit gelöst werden können.

2. Anwendungsfälle identifizieren. Identifizieren Sie spezifische Geschäftsprobleme, die mit klassischen Computern schwer zu lösen sind, aber von Quantencomputing profitieren könnten. Konzentrieren Sie sich auf Schlüsselbereiche wie Optimierung, Simulation und Datenanalyse.

3. Mit Experten zusammenarbeiten. Arbeiten Sie mit Anbietern von Quantencomputern und Experten zusammen, die die erforderliche Technologie und Expertise bereitstellen können. Viele etablierte Technologie-Anbieter und Start-ups entwickeln Quantencomputersysteme und -dienstleistungen.

4. Pilotprojekte. Testen Sie die Machbarkeit und die Auswirkungen des Quantencomputings auf die von Ihnen identifizierten Anwendungsfälle. Nutzen Sie diese Projekte, um Daten zu sammeln, Ihren Ansatz zu verfeinern und seinen Wert zu demonstrieren.

5. Investieren Sie in die Infrastruktur. Quantencomputing erfordert ein komplexes hybrides Ökosystem, das häufig spezialisierte Hardware und Software umfasst. Investieren Sie in die notwendige Infrastruktur, einschließlich leistungsfähiger klassischer Computer zur Verwaltung und Steuerung von Quantenelementen.

6. Kompetenzen entwickeln. Aufbau eines Teams mit den erforderlichen Kompetenzen im Quantencomputing. Dazu kann es notwendig sein, neue Talente zu rekrutieren oder das vorhandene Personal durch Schulungsprogramme weiterzuentwickeln.

7. Überwachen und anpassen. Überwachen Sie kontinuierlich den Fortschritt Ihrer Quantencomputing-Initiativen. Seien Sie darauf vorbereitet, Ihre Strategie auf der Grundlage der Ergebnisse Ihrer Pilotprojekte und der Fortschritte in der Quantencomputertechnologie anzupassen.

Technische Probleme

Im Moment gibt es noch erhebliche technische Probleme, die einen praktikablen Unternehmenseinsatz behindern. Christine Knackfuss-Nikotic, CTO T-Systems Telekom, nannte auf dem dem „Bitkom Quantum und AI Data Summit 24“ in Berlin am 25. September 2024, ein Beispiel im mobilen Einsatz: „Im Moment reisen Qubits nur 17 Kilometer, danach lösen sie sich auf. Wir wollen das auf 900 Km erweitern.“ Damit wäre die Kommunikation zumindest innerhalb Deutschlands gesichert, für den internationalen Einsatz ist das aber immer noch nicht ausreichend.“

Ein noch größeres Problem seien die Fehler, die die auf herkömmlichen Computer üblichen Errors um mehrere Größenordnungen übersteigen. Dr. Heike Riel, IBM Research, erläutert: „Wir verringern Fehler durch neuen Error Correcting Code. Das neue Quantum Datacenter in Ehningen wird dabei eine große Rolle spielen. Bis 2029 soll Error Correction und Surpression sowie Mitigation kommen und Millionen Qubits ermöglichen.“

Bundeskanzler Olaf Scholz: „Deutschland kann Quantencomputer“

IBM eröffnet in Ehningen ein zweites Quantum Datacenter

Sebastian Luber, Senior Director Technology & Innovation bei Infineon Technologies, betont: „Bei einfachen Problemen haben klassische Systeme viel weniger Irrtümer als Quantum Computing. Bei komplexen Problemen gibt es eine Chance für Quantum. Es gibt schon zahlreiche Benchmarks, aber wir müssen noch auf Low Level Parameter warten, denn QC ist mehr als die Zahl der Qubits.“

Die Infineon Technologies AG hat im Oktober 2023 ein Labor zur Entwicklung von Quantenelektronik in Oberhaching bei München eröffnet. Ziel ist es, mikroelektronische Schaltungen für Quantencomputer zu entwickeln und zu testen, die stabil, klein und zuverlässig sind und im industriellen Maßstab hergestellt werden können.

Forschungsprojekt auf der laufenden Quantencomputing-Konferenz

Quantencomputing: Infineon bringt Erfahrung zur Industrialisierung ein

Dazu hat das Unternehmen einen innovativen Kryostaten installiert, eine Art Superkühlschrank, der bis zu 4 Kelvin, minus 269 Grad Celsius, kühlen kann. Qubits, die kleinsten Einheiten für Berechnungen in Quantencomputern, sind äußerst empfindlich und nur unter extremen Bedingungen ausreichend stabil.

Typisch sind Temperaturen unter minus 250 Grad Celsius und niedrigste Drücke. Trotz dieser extremen Bedingungen muss die Elektronik einwandfrei arbeiten. Gerade in derart kalten Umgebungen verändern viele Materialien ihre Eigenschaften, das elektrische Verhalten kann sich ändern.

Zwar gibt es bereits eine ganze Reihe an Quantencomputern, doch handelt es sich dabei um Installationen von und für Forschungseinrichtungen. Für die Skalierung hin zu leistungsfähigen Quantencomputern und zur Industrialisierung der Technik sind noch einige Schritte in der Entwicklung zu gehen. Dazu gehört die präzise elektronische Ansteuerung von hunderten und tausenden von Qubits.

Quantencomputer und die Krypografie

André M. König von Global Quantum Intelligence LLC, einem auf Investor Due Diligence spezialisierten Unternehmen, hat per Datenanalyse 26 Quantum Hardware Anbieter überprüft und führt für den Einsatzzweck Kryptographie durch Quantum aus: „Im Moment braucht es den Platz einer kleinen Stadt und ein Kernkraftwerk, um einen Quanten Kryptographen zu starten. Keine Quantum Plattform hat einen klaren Weg zum Erfolg. Die Skalierung bleibt ein Problem, es wird eine Weile gutgehen, aber dann kommt eine Barriere, die schwer zu überwinden ist. Idealerweise könnte der erste Quantum Kryptograph 2030 bereit sein, aber es wird nicht ideal laufen.“

Hyperion Research hat aktuell zusammen mit D-Wave Quantum Inc., einem Anbieter von Quantencomputern, eine Studie durchgeführt: Trotz der weit verbreiteten Begeisterung für Quantencomputer-basierte Optimierung gibt es grundlegende Hürden. Es gab keine dominierende Hürde, die Entwickler von QC-basierter Optimierung überwinden mussten, sondern eine ganze Reihe von Problemen, die darauf hindeuten, dass es keine einheitliche Lösung gibt, um den QC-Optimierungsprozess zu vereinfachen.

Zu den größten Hürden gehörten die Komplexität der Integration in die bestehende Infrastruktur, das Fehlen von internem QC-Fachwissen und Bedenken hinsichtlich des ROI-Nachweises. Weitere Hindernisse waren der Mangel an verfügbaren Finanzmitteln, nicht nachgewiesene Leistungsvorteile gegenüber herkömmlichen Lösungen, Bedenken hinsichtlich der kurzfristigen Aussichten für den QC-Sektor und begrenzte QC-Anbieteroptionen.

Alternative Quantum Annealer

Weil echtes Quantum Computing also noch fern ist, können als einsatzfertige Alternative Quantum Annealer in Betracht gezogen werden: Heather West, Senior Research Manager, IDC Infrastructure Systems, Platforms and Technologies Group, erklärt. „Die Zugänglichkeit, der Nutzen und der Wert von Quantum Annealern werden oft übersehen oder nicht als echte Quantencomputersysteme missverstanden. Quantum Annealer und andere Quantencomputersysteme, die die Quantenmechanik von Qubits nutzen, um Quantenberechnungen durchzuführen, sollten jedoch als Quantencomputersysteme betrachtet werden“.

Ein Quanten Annealer mit mehr als 5000 Qubits läuft seit dem 17. Januar 2022 am Forschungszentrum Jülich. Das Jülich Supercomputing Centre und D-Wave als Anbieter von Quantencomputer-Systemen haben dort das erste „Leap“ Quanten-Cloud-basierte System außerhalb Nordamerikas in Betrieb genommen.

Damit Unternehmen vorab prüfen können, inwiefern sie von Quantentechnologien profitieren können, hat das Fraunhofer IAIS den sogenannten „IAIS Evo Annealer“ entwickelt. Mithilfe dieser Technologie lassen sich mathematische Probleme bereits jetzt effizienter lösen als bisher üblich.

„Ohne auf einen Quantencomputer zugreifen zu müssen, können unsere Kunden mit dem IAIS Evo Annealer prüfen, inwiefern sich ihre mathematischen Probleme künftig mit Quantencomputing lösen lassen. Dabei erzielen sie bereits jetzt schon profitable Ergebnisse,“ erläutert Nico Piatkowski, Senior Scientist im Bereich Quantum Machine Learning am Fraunhofer IAIS.

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