Quantencomputer

Quantencomputer basieren auf einem anderen Prinzip als konventioneller Rechner, sie nutzen die Gesetze der Quantenphysik.

Für einen Quantencomputer braucht man Rechen- und Speichereinheiten. Diese sogenannten Qubits sind das quantenmechanische Equivalent zu den Bits herkömmlicher Rechner.

Bits können genau einen von zwei möglichen Zuständen einnehmen, im Binärsystem entweder Null oder Eins. Das Qubit kann sich dagegen für eine bestimmte Zeitspanne, die sogenannte Kohärenzzeit, in einem Zwischenzustand aus Null und Eins befinden. Dieser Zustand wird auch Superposition (Quantenverschränkung) genannt. Durch eine Messung geht das Qubit dann in einen der beiden klar definierten Zustände über, sodass man das Messergebnis in einem "klassischen" Bit speichern kann. Dieser Verlust der Superposition wird Dekohärenz genannt. 

Die Recheneinheit eines Quantencomputers ist also der Qubit. 2021 wurden 127, 2022 sogar 433 Qubits erreicht. Entscheidend ist jedoch nicht nur die Quantität der Qubits, sondern vor allem deren Qualität, sprich, die Verschränkungen der Qubits und die Kohärenzzeit, die das Quantensystem stabil bleibt, um zu rechnen - sonst geht die Information in einem Rauschen verloren.

Ein Quantencomputer kann im Gegensatz zu einem klassischen digitalen Computer mehrere Aufgaben parallel lösen (inhärente Parallelverarbeitung). Dadurch ist er besser geeignet für die Lösung bestimmter Klassen von Problemen und kann diese viel schneller lösen als ein konventioneller Supercomputer.

Quantencomputer werden trotzdem digitale Rechner nicht verdrängen können (zu teuer), sondern werden mit diese koexistieren. Erste kleinere kommerzielle Quantencomputer sind aber schon im Einsatz.

Quantencomputer werden entwickelt von OpenAI, Microsoft, Google, Nvidia, IBM, Amazon, D-Wave, in China, aber auch deutsche Unternehmen beteiligen sich an Quantencomputer-Entwicklungsprojekte. Im Forschungszentrum Jülich in Deutschland steht einer der leistungsstärksten Quantencomputer der Welt. 

Beispiele für das Einsatzgebiet von Quantencomputer sind Optimierungsaufgaben, Simulationen, maschinelle Lernverfahren und Quantenkryptografie.

Bündelung KI - Quantencomputing - Blockchain

Es gibt Bestrebungen, die KI mit dem Quantencomputing zu verbinden. Die ohnehin riesigen Potenziale dieser beiden IT-Spitzentechnologien werden noch weiter verstärkt und so ihre Einsatzmöglichkeiten noch weiter erweitert.

Einige Experten gehen davon aus, dass die Verschmelzung von Quantencomputing und KI exponentielle Fortschritte ermöglichen könnte. Wenn KI-Algorithmen auf Quantencomputern laufen könnten, wäre die Fähigkeit, riesige Mengen an heterogenen Daten schnell zu analysieren, ein gewaltiger Sprung nach vorn.

Das vom Forschungszentrum Jülich koordinierte Projekt Q(AI)2 bringt nun Quantencomputing und KI anhand konkreter Anwendungsfälle in der Automobilindustrie zusammen.
An dem Projekt sind die drei größten deutschen Automobilhersteller BMW, Mercedes-Benz und Volkswagen sowie der Zulieferer Bosch und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) beteiligt. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und verfügt über ein Budget von 4 Millionen Euro über einen Zeitraum von drei Jahren.

Quantencomputing verspricht nicht nur massive Geschwindigkeitssteigerungen, sondern auch völlig neue Anwendungsbereiche. Die Synergie zwischen Quantencomputing und KI hat das Potenzial, viele Branchen grundlegend zu verändern. So könnte Quantensimulation ideal für Klimamodelle sein, um Wetterereignisse auf Basis von Millionen von Variablen vorherzusagen.

In der wissenschaftlichen Forschung könnten Quantensimulationen dazu verwendet werden, molekulare Verhaltensmodelle zu entwickeln. Damit könnten Forscher schneller Prototypen testen und entwickeln.

In einem solchen Kontext werden KI und Quantencomputing ein leistungsfähiges Duo bilden, um komplexe Herausforderungen wie den Klimawandel und Gesundheitsprobleme zu bewältigen. Aber auch in der Lieferkettensteuerung, im Finanzmanagement und bei Optimierungsproblemen können sie hilfreich sein.

Auch wenn die Vorteile verlockend sind, ist Vorsicht geboten rasante Entwicklung in beiden Technologiebereichen wirft auch Fragen bezüglich Governance, Standardisierung und Ethik auf. 

Die Technologie ist faszinierend, aber es ist wichtig, sie im Kontext dessen zu sehen, was mit der klassischen Informatik heute nicht machbar ist: Quantencomputer werden nicht alles lösen können und werden klassische Computer nicht vollständig ersetzen.Man benötigt Hybridarchitekturen und schließlich eine Quantenverarbeitungseinheit neben der Zentraleinheit und der Grafikverarbeitungseinheit in Computern.

Die Quantenrevolution entfaltet sich gerade.  Es war vor wenigen Jahren noch ein wissenschaftlicher Traum, aber heute wird es immer realer und greifbarer. Die Marktchancen sind enorm!

Bis zum Jahr 2030 könnten wir den Beginn einer Ära erleben, in der Quantencomputer in Kombination mit künstlicher Intelligenz nicht mehr nur Teil der wissenschaftlichen Diskussion sind, sondern auch greifbare Werkzeuge für Industrie und Forschung darstellen sowie Menschen in vielen Bereichen ersetzen. 

Führende Organisationen wie der Europäische Quantenindustrieverband (QuIC) arbeiten bereits an einer branchenübergreifenden Bildung und an der Entwicklung von Standards, um diesen Übergang zu erleichtern.

Die Integration von KI in die Blockchain-Technologie könnte eine weitere bahnbrechende Kombination sein. 

Beide könnten sich in einer Weise ergänzen, die das Beste aus beiden Welten hervorbringt.

So haben sich kürzlich Aptos und Microsoft zusammengeschlossen, um einen auf ChatGPT basierenden KI-Bot zu erschaffen. 

Die Verbindung von Quantencomputing und KI ist mehr als nur eine interessante wissenschaftliche Idee, sie könnte die nächste große technologische Revolution sein. Doch während die Vorteile und Potenziale enorm sind, bleiben Herausforderungen in Bezug auf Hardware, Ethik und Zugänglichkeit.