Quantum Computing : Quantentechnologie in der Industrie: ihr enormes Potenzial
Während sich die Fortschritte immer mehr beschleunigen, fließen die Investitionsgelder in Strömen, und die Start-ups für Quantencomputing vermehren sich. Auch große Technologieunternehmen entwickeln ihre Quantenkapazitäten weiter: Unternehmen wie Alibaba, Amazon, IBM, Google und Microsoft haben bereits kommerzielle Cloud-Dienste für Quantencomputer eingeführt.
Natürlich lassen sich all diese Aktivitäten nicht zwangsläufig in kommerzielle Ergebnisse umsetzen. Das Quantencomputing verspricht zwar, Unternehmen bei der Lösung von Problemen zu helfen, die jenseits der Reichweite und Geschwindigkeit herkömmlicher Hochleistungsrechner liegen, doch sind die Anwendungsfälle zu diesem frühen Zeitpunkt weitgehend experimentell und hypothetisch.
Quantencomputer stellen einen Paradigmenwechsel in der Datenverarbeitung dar. Quantensysteme werden immer größer und zuverlässiger und stehen kurz davor, einen echten Vorteil gegenüber klassischen Computern zu bieten. Da sich diese Technologie noch in einer so frühen Phase befindet, kann es sein, dass ihre wahren Auswirkungen noch nicht einmal vollständig verstanden werden.
| Bereich | Anwendung | Technologie |
|---|---|---|
| Lieferketten | Optimierung von Lieferketten und Logistik, einschließlich der Routenplanung von Fahrzeugen und des Flottenmanagements | Computing & KI, Simulation |
| Geschäftsmodelle | Sicherstellung der Kommunikation zwischen den verschiedenen Akteuren und zwischen den Produktionsanlagen und Überwachung der Anlagen | Computing & KI, Kommunikation |
| Produktlebenszyklus | Ermöglichung von datengesteuerten Geschäftsmodellen, einschließlich Matchmaking, Auktionen und Austausch von Dienstleistungen | Computing & KI, Simulation |
| Fertigung | Optimierung von Produktionsplänen, Arbeitsgängen, Roboterbewegungen und Bearbeitungsparametern | Computing & KI, Simulation |
| Maschinen | Identifizierung von End-of-Life- und industriellen Symbiose-Möglichkeiten | Computing & KI, Simulation |
| Organisation | Vorhersage, Entwurf und Prüfung von Material-, Produkt- und Produktionsverhalten und -eigenschaften | Simulation, Bildverarbeitung, Sensorik |
| HR | Förderung von Gesundheit und Kompetenzaufbau | Bildverarbeitung, Sensorik |
Künstliche Intelligenz
Die Fähigkeit von Quantencomputern, riesige Datensätze zu analysieren, komplexe Modelle zu simulieren und Optimierungsprobleme schnell zu lösen, ermöglich neue Möglichkeiten für die Anwendung im Bereich der künstlichen Intelligenz. Obwohl maschinelles Lernen mit Hilfe von Quantencomputern schon bald einige kommerzielle Vorteile in einer Vielzahl von Bereichen bieten könnte - darunter autonome Fahrzeuge und Wettervorhersagen -, könnten künftige Quantencomputer die KI noch weiter voranbringen.
KI, die sich das Quantencomputing zunutze macht, könnte Tools wie Computer Vision, Mustererkennung, Spracherkennung, maschinelle Übersetzung und vieles mehr voranbringen. Letztendlich könnte das Quantencomputing sogar dazu beitragen, KI-Systeme zu schaffen, die sich menschenähnlicher verhalten. So könnten Roboter zum Beispiel optimierte Entscheidungen in Echtzeit treffen und sich schneller an veränderte Umstände oder neue Situationen anpassen.
Fertigung und Engineering
Quantencomputing in Verbindung mit maschinellem Lernen könnte sich stark auf die Fertigung auswirken: Es ermöglicht schnellere Optimierungsläufe, indem Produktionslinien dynamischer optimiert werden können. Dies wäre besonders nützlich für Produktionsabläufe und die Roboterplanung komplexer Produkte, bei denen Simulation und Optimierung rechenintensiv sind.
Den Herstellern wird es ermöglicht, über die derzeitigen Grenzen des klassischen Computing hinauszugehen. Während bei der Herstellung von Halbleiterchips bereits einfache multivariable Analysen und maschinelles Lernen in die Prozesse integriert sind, stößt die klassische Datenverarbeitung an ihre Grenzen. Quantentechnologie könnte helfen, diesen Engpass zu überwinden, indem zusätzliche interaktive Faktoren und Prozesse analysiert werden, um die Produktionsausbeute zu erhöhen.
Logistik
Quantencomputer sind gut in der Optimierung. Theoretisch könnte ein komplexes Optimierungsproblem, für dessen Lösung ein Supercomputer Tausende von Jahren benötigen würde, von einem Quantencomputer in wenigen Minuten gelöst werden. In Anbetracht der extremen Komplexität und der Variablen, die bei internationalen Versandrouten und der Organisation von Lieferketten eine Rolle spielen, könnte die Quanteninformatik bei der Bewältigung der gewaltigen logistischen Herausforderungen eine große Hilfe sein.
DHL hat zum Beispiel bereits ein Auge auf Quantencomputer geworfen, um Pakete effizienter zu verpacken und die weltweiten Lieferwege zu optimieren. Das Unternehmen hofft, die Geschwindigkeit seiner Dienstleistungen zu erhöhen und gleichzeitig die Anpassung an Veränderungen zu erleichtern, z. B. wenn Aufträge storniert oder Lieferungen verschoben werden. Andere wollen mit Hilfe von Quantencomputern den Verkehrsfluss verbessern, was den Lieferfahrzeugen helfen könnte, mehr Stopps in kürzerer Zeit zu machen.
Cybersecurity
Die Cybersicherheit könnte durch Quantencomputer auf den Kopf gestellt werden. Leistungsstarke Quantencomputer drohen, Kryptographietechniken wie die RSA-Verschlüsselung zu brechen, die heute üblicherweise zur Sicherung sensibler Daten und elektronischer Kommunikation eingesetzt werden.
Die Sicherheit kryptografischer Algorithmen basiert auf schwierigen mathematischen Problemen, die mit einem klassischen Computer weder heute noch in Zukunft zu lösen sind. In erster Linie sind es Public-Key- oder asymmetrische Kryptografiesysteme, die durch die Implementierung des Algorithmus für Quantenangriffe anfällig wären.
Die Pioniere des
Quantencomputers
Die Gesetze der Quantenphysik hätten schon Albert Einstein fast um den Verstand gebracht. Was mit einer einfachen Idee begann, entwickelt sich heute zu einem der globalen Zukunftsmärkte.
Seit der Erfindung des elektronischen Taschenrechners in den 1960er Jahren hat sich die Welt der Datenverarbeitung rasant weiterentwickelt. Die letzten Jahre waren für die Informationsverarbeitung besonders transformativ. Was einst als Science-Fiction-Phantasie gedacht war, ist heute technologische Realität. Die klassische Datenverarbeitung ist exponentiell schneller und leistungsfähiger geworden, und unsere Hilfsmittel sind kleiner und anpassungsfähiger.
Wir beginnen, uns über die klassische Datenverarbeitung hinaus in eine neue Datenära zu entwickeln, die als Quanteninformatik bezeichnet wird. Man geht davon aus, dass das Quantencomputing unsere Zukunft beschleunigen wird, indem es die Landschaft der künstlichen Intelligenz und der Datenanalyse immens beeinflusst. Die Leistung und Geschwindigkeit der Quanteninformatik wird uns helfen, einige der größten und komplexesten Herausforderungen zu lösen, denen wir als Menschen gegenüberstehen. Während die Quantenmechanik bereits Albert Einstein beschäftigte, dauerte es deutlich länger, bis die Forschung für den ersten Quantencomputer anlief.
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1959: Die Vision von Feynman
1959 erklärt Richard Feynman die Möglichkeit, Quanteneffekte für Berechnungen zu nutzen. 1981 fordert Feynman die Welt auf, einen Quantencomputer zu bauen.
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1985: Erste Forschung läuft an
Der britische Physiker David Deutsch veröffentlicht die Idee eines "universellen Quantencomputers", der jenseits der Grenzen jeder klassischen Maschine arbeiten würde.
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1994: Der erste Algorithmus
MIT-Mathematiker Peter Shor stellt einen Algorithmus vor, der die Faktoren großer Zahlen effizient finden kann und damit theoretisch den besten klassischen Algorithmus übertrifft.
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1996: Quantenvorteil wird ersichtlich
Lov Grover, Mathematiker bei Bell Labs, stellt einen Algorithmus vor, der bei der Suche in unstrukturierten Datenbanken einen erheblichen Quantenvorteil bieten würde.
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1998: Quantenvorteil wird ersichtlich
Jonathan Jones, Michele Mosca und Rasmus Hansen von der Universität Oxford veröffentlichen die erste Implementierung eines Quantenalgorithmus. Sie verwenden einen 2-Qubit-Quantencomputer.
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2001: Erster IBM-Prozessor
Eine Zusammenarbeit zwischen IBM und der Stanford University veröffentlicht die erste Implementierung des Shor-Algorithmus, der 15 in seine Primfaktoren auf einem 7-Qubit-Prozessor zerlegt.
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2011: Kommerzialisierung erreicht
Der erste kommerziell erhältliche Quantencomputer wird von D-Wave Systems angeboten. Die Rechenleistung liegt aber noch deutlich hinter dem klassischen Computer.
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2012: Überlegenheit der Quanten
Physiker John Preskill beschreibt den Moment, in dem "Quantensysteme Aufgaben erfüllen können, die über das hinausgehen, was in der klassischen Welt möglich ist", als das Zeitalter der "Quanten-Supremacy".
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2019: Google schafft ersten Meilenstein
Google behauptet, die Quantenüberlegenheit erreicht zu haben. Die genauen Einzelheiten sind umstritten, aber die Behauptung wird letztlich als gültig anerkannt.
Die staatlichen Investitionen steigen jährlich, doch laut Analysen werden private Investitionen den ausschlaggebenden Quantensprung auslösen. In den vergangenen Jahren hat das Ökosystem der Quantenkommunikation ein erhebliches Wachstum verzeichnet, wobei sich die Zahl der Start-ups von 28 auf 89 mehr als verdreifacht hat. Eine relativ kleine Anzahl von Quantennetzbetreibern wird von einer wachsenden Zahl von Hardwareherstellern und Anwendungssoftwareentwicklern unterstützt. Auf dem Markt für Quantensensorik ist die Zahl der Unternehmen im Vergleich zu den Bereichen Informatik und Kommunikation noch relativ gering. Allerdings hat sich die Zahl der Organisationen, die sich mit Quantensensorik befassen, fast verdoppelt.
Die größten privaten Investitionen in die Quantentechnologie weltweit
| Unternehmen | Land | Segment | Investitionssumme (Mio $) | Hauptinvestor |
|---|---|---|---|---|
| PsiQuantum | USA | Hardware | 450 | BlackRock |
| ArQit | UK | Hardware | 400 | Centricus Aquisition Corp |
| IonQ | USA | Harware | 350 | dMY Technology Group |
| CQC | UK | Software | 300 | Honeywell |
| Xanadu | Kanada | Hardware | 100 | Bessemer Venture Partners |
| Rigetti | USA | Hardware | 79 | Bessemer Venture Partners |
| Silicon Quantum Computing | Australien | Hardware | 66 | University of New South Wales |
| ID Quantique | Schweiz | Hardware | 65 | SK Telekom |
Die Experten von McKinsey gehen davon aus, dass zwischen 2022 und 2026 viele Unternehmen mit Optimierungsproblemen noch hybride Ansätze verfolgen werden, bei denen ein Teil des Problems mit klassischen Computern und ein Teil mit Quantencomputern bearbeitet wird. Im gleichen Zeitraum werden Quantencomputer wahrscheinlich leistungsfähig genug sein, um aussagekräftige Simulationen von Molekularstrukturen für Chemie-, Material- und Pharmaunternehmen durchzuführen.
Die Ankunft der Quanten-KI liegt noch in weiter Ferne - werden frühestens in den späten 2020er Jahren leistungsfähig genug für die Primfaktorzerlegung sein werden. Dennoch werden bereits jetzt große Investitionen getätigt und die ersten Versuche gestartet. Hier einige Beispiele aus der Industrie:
BMW optimiert Lieferketten
BMW setzt Quantencomputing für die Optimierung von Lieferketten ein – spätestens seit den durch die Pandemie verursachten Ausfällen bei den Zulieferern ein prioritäres Anwendungsgebiet in der Automobilindustrie. Noch werden die Berechnungen nicht regelmäßig eingesetzt, doch man zeigt sich von der Technologie überzeugt: „Für die BMW Group steht fest, dass Quantencomputing eine wegweisende Zukunftstechnologie ist und erhebliches Potenzial für eine Vielzahl von Anwendungsbereichen hat – zum Beispiel in der Materialforschung, wie der Batteriezellchemie, oder für die Zukunft des automatisierten Fahrens mit Quantum Machine Learning“, so BMW-Entwicklungsvorstand Frank Weber.
VW simuliert Batteriematerialien
Auch Volkswagen sieht seine ersten Anwendungsmöglichkeiten in der Simulation von Batteriematerialien. Bestehende Methoden wie die Dichtefunktionaltheorie seien seit Jahrzehnten im Einsatz, stoßen aber an ihre Grenzen. Abhilfe soll die Simulation mit einem Quantencomputer bringen: „Volkswagen betritt mit seiner Strategie Neuland, insbesondere wenn es darum geht, Möglichkeiten entlang der Batterie-Wertschöpfungskette auszuloten. Hochleistungsmaterialien der nächsten Generation und elektrochemische Prozesse sind die wichtigsten Bestandteile dieser Expedition“, sagt Nikolai Ardey, Leiter Volkswagen Group Innovation.
Festo baut Bioreaktor
Ein besonders hochgestecktes Ziel verfolgt das Automatisierungsunternehmen Festo. Mit dem Konzept eines Bioreaktors, bei dem Algen als Rohstoff zum Einsatz kommen, will das Unternehmen in Kooperation mit Q.ANT, einer Tochter von Trumpf, eine Lösung für den Kampf gegen den Klimawandel auf den Markt bringen. Dabei kommt ein Quantensensor zum Einsatz, der in der Lage ist, einzelne Zellen optisch zu analysieren, sodass die Menge der Biomasse exakt ermittelt werden kann. Die Idee ist vielversprechend: Bis zu 2.000-mal so viel CO2 wie ein Baum sollen die Reaktoren absorbieren können. „In der Natur gibt es keinen Abfall und keine Verschwendung, wir müssen nur lernen, diese Prinzipien auf unsere Wirtschaft zu übertragen“, so Festo-CEO Oliver Jung.
Infineon legt sich nicht fest
Der Chiphersteller Infineon hat heuer sein ohnehin schon bestehendes Engagement in der Entwicklung der Quantentechnologie verstärkt und beteiligt sich an sechs weiteren Forschungsprojekten. Das Unternehmen verspricht sich Lösungen, um hochkomplexe Prozesse in der Logistik zu optimieren. Reinhard Ploss, ehemaliger Vorstandsvorsitzender von Infineon: „Es ist noch längst nicht entschieden, welcher technologische Weg den schnellsten Fortschritt ermöglicht und in welchen Anwendungen Quantencomputer erfolgreich sein werden. Infineon erforscht deswegen verschiedene Ansätze.“
Das Quantenportfolio der IT-Giganten
Quantencomputer sind mittlerweile in der Breite verfügbar, die IT-Riesen bieten dafür eigene Cloud-Services an. Die Liste der Anbieter hat mittlerweile eine beträchtliche Länge erreicht: Bereits 2011 stellte die kanadische Firma D-Wave Systems den ersten kommerziellen Quantencomputer auf Supraleiterbasis vor, mittlerweile wird die Technologie in der Cloud angeboten.
Seit 2016 betreibt IBM mit seiner Quantum Expirience einen eigenen Cloud-Dienst. Honeywell stellte 2019 den ersten kommerziellen Ionenfallen-Quantencomputer weltweit vor – auch hier kann man per Fernzugriff auf die Dienste zugreifen. Google arbeitet an seinem ersten kommerziellen Quantencomputer und investiert mehrerer Milliarden Dollar in die Entwicklung. Das angepeilte Ziel: Bis 2029 soll die Technologie der breiten Öffentlichkeit zugänglich sein. Und mit Braket ist auch Amazon in den Ring gestiegen, wenn auch derzeit noch auf die Hardware anderer Anbieter zurückgegriffen wird. Aber auch Amazon will in den kommenden Jahren einen eigenen Quantencomputer entwickeln.
Auch wenn die Technologie in der Breite verfügbar ist, lässt der Durchbruch noch auf sich warten. Denn die Quantenrechner sind noch lange nicht praxisreif, die Verschränkung und Überlagerungszustände der Quantenbits sind extrem anfällig, schon kleinste Störeinflüsse beenden ihre Kohärenz und führen so zu Fehlern. So ist man von der Entwicklung eines universell programmierbaren und fehlertoleranten Quantencomputers noch weit entfernt.
| Unternehmen | Aktivitäten |
|---|---|
| IBM | Im Quantenbereich bilden der IBM Quantum Composer und das IBM Quantum Lab (früher unter dem Namen IBM Quantum Experience bekannt) eine Online-Plattform, die den öffentlichen und Premium-Zugang zu den von IBM Quantum bereitgestellten Cloud-basierten Quantencomputing-Diensten ermöglicht. Dazu gehören der Zugang zu einer Reihe von IBM-Prototyp-Quantenprozessoren, eine Reihe von Tutorials zur Quantenberechnung und der Zugang zu einem interaktiven Lehrbuch. Es sind über 20 Geräte im Dienst, von denen sechs der Öffentlichkeit frei zugänglich sind. Dieser Dienst kann genutzt werden, um Algorithmen und Experimente auszuführen und Tutorials und Simulationen zu erforschen, die zeigen, was mit Quantencomputern möglich ist. |
| Google Quantum AI | Das Nervenzentrum für Googles Quantenaktivitäten ist das Quantum Artificial Intelligence Lab, eine gemeinsame Initiative von Google, der NASA und der Universities Space Research Association. Es wurde 2013 gegründet und war für die Ankündigung verantwortlich, dass es im Oktober 2019 die Quantenüberlegenheit erreicht hat. Bis 2029 soll ein eigener Quantencomputer entwickelt werden. |
| Microsoft | Die Wurzeln von Microsofts Quantenforschung lagen in zwei Teams, die sich für Quantencomputer interessierten: das QuArC-Team in Redmond, Washington, unter der Leitung von Krysta Svore. Dieses Team erforschte die Konstruktion von Quantenschaltkreisen. Das zweite, in Santa Barbara ansässige und von Michael Freedman geleitete Team war Station Q, das sich mit topologischen Quantencomputern beschäftigte. 2019 kündigte Microsoft an, dass es das Quantum Development Kit, einschließlich seiner Q#-Compiler und -Simulatoren, als Open-Sourcing-Lösung bereitstellt. |
| AWS | Amazon Braket ist ein vollständig verwalteter Quantencomputerdienst, der dazu beitragen soll, die wissenschaftliche Forschung und Softwareentwicklung für Quantencomputer zu beschleunigen. Zu den weiteren Funktionen gehören ein hardwareunabhängiges Entwickler-Framework, das den Entwurf und die Ausführung von Quantenalgorithmen vereinfacht, vorgefertigte Algorithmen und Tutorials, eine Auswahl an Simulationswerkzeugen und viele andere interessante Möglichkeiten. |
| Alibaba Group | In Zusammenarbeit mit der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat die Cloud Computing-Tochter der Alibaba Group das Alibaba Quantum Computing Laboratory in Shanghai, China, gegründet. Als Mitglied der internationalen Quantencomputer-Gemeinschaft unterstützen die Bemühungen der Alibaba Group im Bereich Quantencomputing die Idee von Open-Source-Projekten in diesem Bereich |
| Atos | Atos Quantum ist eine Gruppe innerhalb des französischen multinationalen Unternehmens Atos, die sich auf Quantentechnologie spezialisiert hat. Atos Quantum hat ein Produkt namens Atos Quantum Learning Machine auf den Markt gebracht, einen klassischen Computer, der ein Quantensystem mit 30 bis 40 Qubits simulieren kann, je nach Konfiguration. In Verbindung mit diesem Produkt bietet Atos Quantum eine universelle Quanten-Assembler-Programmiersprache namens AQASM sowie weitere Software an, die es Forschern, Ingenieuren und Studenten ermöglicht, Quantensoftware zu entwickeln und damit zu experimentieren. |
| Baidu | Wie Alibaba kommt auch Baidu aus China. Zu seinem Quantenprogramm gehört die Gründung eines Instituts für Quanteninformatik, das sich mit der Anwendung von Quanteninformatik-Software und -Informationstechnologie befasst. Das Baidu Quantum Computing Institute wird von Professor Duan Runyao geleitet, der zuvor Direktor des Zentrums für Quantensoftware und -information an der University of Technology Sydney (UTS) war. Baidu beabsichtigt, die Quantentechnologie in verschiedenen Bereichen wie künstliche Intelligenz (AI) und maschinelles Lernen (ML) einzusetzen. |
| Intel | Intel arbeitet sowohl an supraleitenden als auch an Spin-Qubits, wobei sich die Forschung zu Supraleitungen auf die akademischen Partner bei Qutech (Universität Delft) zu beschränken scheint, während Spin-Qubits den Schwerpunkt der Aktivitäten bei Qutech und im eigenen Haus bilden. |
