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13. Dezember 2023

Quantencomputing – ein Booster für die Digitalisierung?

Quantencomputing – schon mal gehört? Es handelt sich hierbei um eine noch recht junge Technologie, die das Potential hat, komplexe Problemstellungen zu lösen, bei denen das klassische Computing an seine Grenzen stößt. Die spannendsten Fragen zu diesem Thema – samt Antworten natürlich – hat uns Dr. Alfred Geiger, renommierter Spezialisten mit über 35 Jahren Erfahrung im High Performance Computing, in unserem Web-Seminar „Quantencomputing – ein Booster für die Digitalisierung am 28.11.2023“ geliefert. Eine kleine Zusammenfassung gibt es hier:

  1. Weshalb brauchen wir das Quantencomputing?

Seit einigen Jahren sehen wir uns als Gesellschaft mit komplexen Problemstellungen konfrontiert, die die erforderliche Rechenleistung exponentiell in die Höhe treiben und das klassische (Super-) Computing an seine Grenzen bringen. Dazu zählen Fragen wie „Wie bringen wir Nachfrage und Angebot bei erneuerbaren Energien zusammen?“ oder „Wie nutzen wir unsere Ressourcen möglichst effizient?“

Beide Beispiele haben eines gemeinsam: Es gibt für sie nicht die „eine richtige“ Lösung, sondern viele verschiedene, ähnlich gute Möglichkeiten. Darauf ist ein „klassischer“ Computer jedoch nicht ausgelegt. Soll er verschiedene Lösungswege finden, ermittelt er diese hintereinander. Das ist aufwändig und verbraucht enorme Mengen an Strom. Deshalb sind viele Fragestellungen noch nicht zufriedenstellend gelöst.

  1. Was kann das Quantencomputing?

Das Quantencomputing wirft die  Gesetze der klassischen Informatik über Bord und eröffnet so die Möglichkeit, verschiedene Lösungswege gleichzeitig vorzuschlagen. Stellen Sie sich als Beispiel eine Routenplanung auf einem Navigationsgerät vor: Während ein klassischer Computer eine Strecke nach der anderen berechnet, kann ein Quantencomputer mit einem entsprechenden Algorithmus alle Routen gleichzeitig ermitteln. Heißt, mit Quantencomputing hängt die Rechenzeit nicht mehr exponentiell von der Problemgröße ab.

Was das bedeutet, zeigt ein Experiment von Google: Demnach würde ein klassischer Supercomputer für eine spezielle Testaufgabe 10.000 Jahre  brauchen, ein Quantencomputer hingegen nur 200 Sekunden. Der Unterschied ist gigantisch. Zudem benötigt ein supraleitender Quantencomputer nur noch Strom für die Kühlung, nicht aber für die Rechenleistung selbst. Es kann sich daher auch rein aus Energiespar- und Zeitgründen lohnen, Quantenprozessoren selbst dann einzusetzen, wenn herkömmliches Computing noch ausreichen würde.

  1. Welche Herausforderungen sind zu meistern?

Noch steckt die Technologie in den Kinderschuhen. Dadurch, dass die bis dato gültigen Gesetze der klassischen Informatik nicht mehr gelten, entstehen neue Herausforderungen. Dazu zählt zum Beispiel die hohe Fehleranfälligkeit, die aufgrund von Störungen wie Strahlung, Licht oder Erschütterungen entsteht. Eine weitere Herausforderung: Die Anzahl der Informationseinheiten, sogenannte Qubits, lässt sich noch nicht so erhöhen, dass praxisrelevante Probleme gelöst werden könnten. Laut Dr. Geiger erfolgen Berechnungen derzeit noch auf „Spielzeuggröße“. Deshalb gelte es für die nächsten Jahre, Erfahrungen zu sammeln und die geeignetsten Anwendungsfälle zuerst anzugehen.

  1. Sofort-Durchbruch oder Eiszeit-Effekt: Welche technologischen Perspektiven sind zu erwarten?

Die Forschung im Bereich Quantencomputing in Deutschland ist gut aufgestellt. Konkrete Nutzer-Projekte laufen bereits, beispielsweise eine Netzwerkplanung im Mobilfunkbereich. Hierbei geht es darum, mit einer möglichst geringen Zahl an Funktürmen und Frequenzen die größtmögliche Netzabdeckung zu erreichen. Ein weiteres Beispiel ist das Schienennetz: Wie kann beispielsweise bei einer Störung bestmöglich umgeleitet werden? Zudem gibt es  Emulatoren, die sich wie ein Quantencomputer verhalten und als zuverlässige Entwicklungsplattform für Quantensoftware genutzt werden können. Cloudbasierte Umgebungen stellen sowohl solche Emulatoren, als auch den Zugriff auf die ersten Quantencomputer zur Verfügung. Teilweise (z.B. durch T-Systems) sogar in  DSGVO-konformer Weise , um  die Technologie so schnell wie möglich einem breiten industriellen Umfeld zugänglich zu machen.

Wann der technologische Durchbruch kommt, ist (noch) unklar. Für die Forschung in Deutschland gelte es laut Dr. Geiger nun, Erkenntnisse in konkrete Produkte umzuwandeln und mit Technologie-Vorreitern wie China oder den USA mitzuhalten. Als Partner von zahlreichen Forschungseinrichtungen, die an der Quantenforschung beteiligt sind – beispielsweise die Universität Stuttgart oder das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) – bleiben natürlich auch wir an diesem Thema dran. Schließlich sind Zukunftstechnologien unser Steckenpferd – und wir wollen sie schnellstmöglich an die Unternehmen herantragen.