QaaS: Die Anwendungsbereiche von Quantum Computing

Zwar steckt die Quanten-IT noch in einer frühen Entwicklungsphase, doch relevante Einsatzgebiete sind bereits absehbar. Klar ist aber auch: Quantenrechner werden klassische Computer nicht ersetzen. Dafür sind sie zu speziell.

Dieser Artikel ist Teil 2 der dreiteiligen Serie „Quantensprünge“.

Noch ist sie nicht erreicht, die „Quantum Supremacy“. Es gibt noch keinen Anwendungsfall, den nur ein Quantenrechner meistern könnte – und kein klassischer Supercomputer dieser Welt.

Das hält Forschung und Wirtschaft natürlich nicht davon ab, sich entsprechende Szenarien auszumalen – und praktisch zu testen. Bislang war das allein schon aus Kostengründen kaum möglich, von wirtschaftlich lohnenswert ganz zu schweigen. Inzwischen jedoch haben beispielsweise Alibaba und IBM erste Services im Portfolio, mit denen sich Quantentechnologien über die Cloud mieten lassen. Statt sich sündhaft teure Geräte ins Labor zu stellen, bei denen ein praktischer Nutzen noch in den Sternen steht, können Institute und Unternehmen also vergleichsweise kostengünstig Testprojekte starten. Quantum as a Service sozusagen.

Neue Herausforderungen für Entwickler

Eine große Hürde für die Anwendbarkeit des Quantum Computing ist damit schon einmal beseitigt. Die nächste ist die Softwareentwicklung. „Bei der Programmierung von Quantenrechnern gibt es erhebliche Unterschiede im Vergleich zu klassischen Architekturen“, sagt Hermann Gouverneur, Chief Digital Officer und Mitglied der Scientific Community beim IT-Dienstleister Atos. Das Unternehmen simuliert Quantumsysteme mithilfe konventioneller High-Performance-Computer, um darin erste Programme schreiben zu können – eine „Quantum Learning Machine“. „Wir reden hier von Assembler-Sprachen und Gateways. Die Anfänge der Informatik wiederholen sich in der neuen Architektur, und der Übergang zu modernen, deskriptiven Programmiersprachen wie zum Beispiel C/C++ oder Java steht erst noch bevor.“

Noch ist es also selbst für Spezialisten komplex und umständlich, mit Quantencomputern zu arbeiten. Bleibt die Frage, in welchen Fällen abseits von akademischen Erkenntnissen sich die Arbeit wirklich lohnt. Experten sehen derzeit in den folgenden Bereichen wichtige Einsatzbereiche für Quantum Computing:

1. Komplexe Big-Data-Probleme

Rechenoperationen müssen bei Quantenrechnern nicht nacheinander durchgeführt, sondern können parallel verarbeitet werden. Das macht sich vor allem bei der Analyse riesiger Datenmassen bemerkbar. Big-Data-Datenbanken lassen sich potenziell erheblich schneller durchsuchen als mit Digitalcomputern – selbst, wenn diese auf In-Memory-Computing basieren, also Daten im schnellen Arbeitsspeicher statt auf Festplatten ablegen. Optimierungsprobleme aus der theoretischen Informatik dürften hier über die nächsten Jahre hinweg typische Anwendungsfälle sein. Beispielsweise das „Problem des Handlungsreisenden“, das unter anderem in der logistischen Tourenplanung zum Tragen kommt.

2. Künstliche Intelligenz und Quantum Machine Learning

Es ist kein Zufall, dass Quantum Computing und künstliche Intelligenz praktisch gleichzeitig Schlagzeilen machen. Vereinfacht gesagt kann Quantentechnologie überall dort ihre Trümpfe ausspielen, wo enorme Mengen an Zahlen und anderen Daten verarbeitet werden müssen. So wie bei der Mustererkennung, die zu den wichtigsten Einsatzzwecken heutiger KI gehört. Machine Learning könnte mit Quantenprozessoren komplexere Routinen abarbeiten und so unstrukturierte Daten schneller durchsuchen. Allgemein gehen Experten davon aus, dass sich mit Quantum Computing komplexere KI-Probleme lösen lassen, als heutige Supercomputer das in vertretbarer Zeit schaffen. Außerdem liefern die neue Technologie gleich mehrere mögliche Lösungen für ein gegebenes Problem. Vielleicht die Grundvoraussetzung für künftige Roboter, die in Echtzeit auf unbekannte Situationen reagieren.

3. Quantum Healthcare

Bei der Entwicklung neuer Medikamente müssen Forscher die Effekte und Interaktionen diverser Wirkstoffe auf molekularer Ebene testen. Ein Prozess, der so komplex ist, dass er im Durchschnitt 12 Jahre braucht. Quantencomputer könnten diese Zeitspanne extrem verkürzen und durch intelligente Mustererkennung in medizinischen Daten auch Behandlungsmöglichkeiten ermitteln, die klassischen Computern verborgen blieben. Das würde auch die Kosten für die Entwicklung neuer Medikamente erheblich senken und damit eine Hoffnung für Patienten mit Erkrankungen sein, die aufgrund ihrer Seltenheit kaum oder gar nicht erforscht werden. Ein weiterer Anwendungsfall ist die DNA-Sequenzierung. Mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand ließen sich die Genome einzelner Personen sequenzieren und darin beispielsweise Mutationen erkennen. Damit wäre endgültig der Weg zur lange versprochenen personalisierten Medizin frei. Aber man muss gar nicht so groß denken, um den Nutzen von Quantum Computing für die Medizin zu erkennen: Heutige bildgebende Verfahren, wie die Magnetresonanztomografie, könnten dank Qubits deutlich präzisere Ergebnisse liefern.

4. Quantensensorik

Sensoren sind ein wesentlicher Bestandteil der digitalen Transformation. Sie bilden das Fundament des Internet of Things (IoT) und damit der Industrie 4.0. Nun kommen erste Bauteile auf den Markt, die Effekte der Quantenphysik nutzen. Das ist eher eine Evolution als eine Revolution, da die Quantensensoren im Grunde einfach nur Signale erfassen und als Messwert darstellen. Forscher gehen aber davon aus, dass die neuen Komponenten physikalische Größen wie Frequenz, Beschleunigung, Temperatur und elektromagnetische Felder mit einer Präzision messen können, wie sie für klassische Technik unmöglich ist.

Die EU muss handeln

Noch befindet sich das Forschungsgebiet Quantum Computing in einer Frühphase. Doch die Weichen für die Zukunft werden jetzt gestellt: Die USA und China investieren Unsummen in entsprechende Programme. Hermann Gouverneur von Atos sieht die Gefahr, dass Europa erneut abgehängt wird – so wie schon im Zeitalter der Tech-Konzerne. „Wir brauchen Skills, Skills, Skills“, sagt Gouverneur im Gespräch mit LEVEL UP+. „Mit Geld können wir den USA und China nicht Paroli bieten. Wir brauchen aber den unbedingten Willen, die Quantentechnologie ernsthaft voranzutreiben.“ Die Forschungsinitiative Quantum Flagship der Europäischen Kommission ist ein erster Schritt. „Gemeinsame europäische Projekte sind oft schwierig, weil die Teilnehmer so unterschiedlich sind. Diese Diversität wird häufig als Mangel empfunden, weil jeder auch eigene Interessen verfolgt“, so Gouverneur. „Aber gerade diese Unterschiede können die europäische Quantenforschung voranbringen.“

Hermann Gouverneur, Chief Digital Officer, Atos

„Ich denke, wir sollten die europäischen Unterschiede in der Quantenforschung anfangen zu schätzen, denn sie sind es, die uns nach vorne bringen werden.“

Hermann Gouverneur, Chief Digital Officer, Atos

Ausblick: Post-Quantum-Verschlüsselung

Einen Anwendungsfall hat dieser Artikel bewusst ausgeklammert: die Kryptographie. Zu Beginn des Quantumhypes galt sie als eine Art „Killerfeature“ der neuen Technologie. Ein Quantenrechner könnte potenziell jede klassische Verschlüsselungsmethode knacken. Immer mehr scheint sich das jedoch als Fehleinschätzung zu erweisen – denn die Gegenbewegung formiert sich.

Mehr dazu lesen Sie im abschließenden Beitrag der Reihe „Quantensprünge“ demnächst bei LEVEL UP+.

Quantensprünge – die Reihe im Überblick

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Titelbild: © NatalyaBurova/iStock

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