Er hat einen Doktortitel in Quantenphysik und 10 Jahre Erfahrung in der Entwicklung von Full-Stack-Software, davon verbrachte er bereits über die Hälfte der Zeit bei Objectivity.
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Inhaltsverzeichnis
Haben Sie gehört, dass Quantum Computing die Welt verändern wird? Fragen Sie sich, wie das Ihr Unternehmen verändern wird? Was ist mit dieser ganzen Reihe neuer Buzzwords und Fachbegriffe? Sie haben einige Fragen, wissen aber nicht an wen Sie sich wenden können?
Dieser FAQ-Artikel zu Quantencomputern sollte die Antworten liefern, nach denen Sie suchen.
Häufig gestellte Fragen zum Quantum Computing
Was ist ein Quantencomputer?
Ein Quantencomputer ist ein Computertyp, der Berechnungen auf völlig andere Weise als herkömmliche Computer durchführt und die inhärenten Gesetze der Quantenphysik nutzt.
Wie funktioniert ein Quantencomputer?
Die Eigenschaften, die die Physik im Quantenbereich auf kleinen Skalen bestimmen, unterscheiden sich stark von unserer alltäglichen Erfahrung. Quantum Computing macht sich diese Eigenschaften zunutze, um eine ganze Reihe neuer Algorithmen zu eröffnen. Damit können Aufgaben bewältigt werden, mit denen herkömmliche Computer nur schwer zurechtkommen. Algorithmen sind Anweisungen, die beschreiben, wie ein Computer eine Aufgabe ausführen soll.
Wie unterscheidet sich ein Quantencomputer von einem normalen Computer?
Quantencomputer verwenden Qubits, Informationseinheiten, die analog zu den Bits eines herkömmlichen Computers sind, aber nicht auf die binären Zustände 1 oder 0 beschränkt sind. Dies hängt damit zusammen, dass sie probabilistisch sind, was bedeutet, dass am Ende einer Berechnung kein einzelner fester Wert steht, sondern die relativen Wahrscheinlichkeiten einer Reihe möglicher Ergebnisse.
Was kann ich mit Quanten erreichen?
Das Arbeiten mit Quantengesetzen eröffnet ein Reich völlig neuer Algorithmen, die einige (nicht alle) Berechnungen um ein Vielfaches schneller durchführen, als herkömmliche Computer es können. Für diese Berechnungen ermöglichen die schwer fassbaren Eigenschaften von Qubits Quantenalgorithmen, viele Ergebnisse auf einmal zu eliminieren und so viel schneller zur Lösung zu gelangen.
Die von solchen Berechnungen abgedeckten betriebswirtschaftlichen Fragestellungen reichen beispielsweise von der Simulation von Molekülen bis zur Optimierung der Lagerlogistik.
Was bedeutet Quantum Computing in der Praxis?
Unsere Blogbeiträge sind eine verlässliche Quelle für konkrete Anwendungsbeispiele von Quantencomputern in der Wirtschaft. Im Großen und Ganzen gibt es mehrere Schlüsselbereiche, in denen sie gegenüber herkömmlichen Computern ein erhebliches Potenzial haben:
- Bestimmte Optimierungsprobleme, die von herkömmlichen Computern nicht vollständig analysiert werden können. Dazu gehören Logistikplanung, Fertigungslayout und -planung, Lagerplanung, Ressourcenplanung, Mitarbeitereinsatzplanung und vieles mehr.
- Verarbeitung und Klassifikation in der künstlichen Intelligenz, wo bestimmte Lernaufgaben viel effizienter umgesetzt werden können als auf herkömmlichen Computern.
- Entschlüsseln herkömmlicher kryptographischer Codes. Positiv anzumerken ist, dass der Austausch von Quantenschlüsseln verwendet werden kann, um Kommunikationskanäle einzurichten, deren Sicherheit durch die Gesetze der Physik garantiert wird.
- Simulation von Molekülen und Materialien zur Unterstützung der Entwicklung neuer Materialien und biologischer und medizinischer Verbindungen. Wie der mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Physiker Richard Feynman bereits 1982 feststellte: Wo herkömmliche Computer Schwierigkeiten haben, alle außer den kleinsten Molekülen genau zu simulieren - was passt besser als ein Quantengerät, um ein Quantensystem zu simulieren?
Nahezu jede Art von Unternehmen beinhaltet einen oder mehrere der oben genannten Punkte und wird sich daher mit Quantum Computing in der Zukunft beschäftigen.
Können Sie mir ein Beispiel für einen Quantenalgorithmus geben?
Das früheste und bekannteste Beispiel ist der Algorithmus von Peter Shor. Bei einer ganzen Zahl findet der Algorithmus die Menge der Primzahlen, die zusammen multipliziert diese Zahl ergeben (ein Prozess, der als Faktorisierung bekannt ist). Dies ist nicht nur ein abstraktes mathematisches Problem! Die Verschlüsselung, die beispielsweise zur Kommunikation mit Webseiten oder zur Sicherung von Finanztransaktionen verwendet wird, beruht auf der Tatsache, dass die Faktorisierung großer Zahlen eine lächerlich schwierige Aufgabe ist. Für deren Ausführung könnten selbst Supercomputer Millionen von Jahren benötigen. Da der Algorithmus von Shor jedoch exponentiell schneller ist als jeder bekannte Algorithmus auf einem herkömmlichen Computer, kann er verwendet werden, um diese Codes innerhalb einer angemessenen Zeit zu entschlüsseln.
Glücklicherweise ist ein Quantencomputer, der Shors Algorithmus ausführen kann, noch mehr als 15 Jahre entfernt und neue quantensichere Kryptographie wird in den nächsten Jahren eine breite Akzeptanz finden. Dies zeigt jedoch bereits das disruptive Potenzial von Quantenalgorithmen.
Wird Quantum herkömmliche Computer ersetzen?
Nein. Quantencomputer werden die traditionellen Computer ergänzen, aber nicht ersetzen. Es ist vergleichbar mit der Art und Weise, wie eine Grafikkarte Ihren Prozessor mit hochspezialisierten Grafikverarbeitungsfunktionen ergänzt, ohne die CPU zu ersetzen.
Aktuelle Quantencomputer sind groß, teuer und müssen regelmäßig gewartet werden. Abgesehen davon zeichnen sich herkömmliche Computer durch ein sehr breites Spektrum alltäglicher Aufgaben aus. Es wäre unvernünftig sie durch eine komplexere und noch unreife Technologie zu ersetzen. Quantencomputer werden jedoch für Aufgaben eingesetzt, die herkömmliche Computer nur schwer bewältigen können.
Wie ist ein Quantencomputer aufgebaut?
Es ist wahrscheinlich, dass sich eine einzelne Technologie für den Bau von Quantencomputern als überlegen erweisen wird, so wie sich Silizium als das effektivste Medium zur Implementierung traditioneller Computer erwiesen hat. Welche Technologie sich am Ende durchsetzen wird, ist noch unklar. Es wird jedoch eine breite Palette von Technologien erforscht: Silizium- und Metall-Supraleiter, die bei extrem niedrigen Temperaturen arbeiten (z. B. IBM, Google, Microsoft, D-Wave); neutrale Atome (z. B. ColdQuanta, Pasqal); eingefangene Ionen (z. B. IonQ, Quantinuum); sogar Photonen, also Lichtteilchen (z. B. Xanadu, Orca, PsiQuantum).
Was sind Schaltungen und Annealer?
Es wird nicht nur eine Reihe von Technologien verwendet, um Quantencomputer zu konstruieren, es gibt auch, grob gesagt, zwei sehr unterschiedliche Arten von Architekturen, die allgemein verwendet werden.
Die meisten Anbieter verwenden Schaltungen, die den digitalen Schaltungen ähneln, die zum Bau herkömmlicher Computer verwendet werden. Diese Schaltungen sind vielseitig und können jeden Quantenalgorithmus implementieren, wie den bereits erwähnten von Shor.
Andere Unternehmen, allen voran D-Wave, bauen hochspezialisierte Quanten-Annealer, die ausschließlich für Optimierungsaufgaben entwickelt wurden. Die Annealer-Technologie ist daher restriktiver, aber auch ausgereifter und geschäftsfähiger.
Wie wird ein Quantencomputer programmiert?
Die Sprachen, mit denen Software für einen Quantencomputer entwickelt wird, sind vertraut: Python ist vielleicht die beliebteste, aber auch Microsoft C#/Q# und Java sind weit verbreitet. Bei schaltungsbasierten Architekturen wird die Spezifikation der Schaltung für die meisten Entwickler neu sein. Annealer hingegen werden jedem Entwickler vertraut vorkommen, der mit klassischen Optimierern wie Gurobi gearbeitet hat.
Soll ich mir einen Quantencomputer anschaffen?
Sollten Sie einen Quantencomputer kaufen? Sicherlich nicht, auch wenn Sie gerne einen verwenden möchten.
Die Supraleiter, die in den meisten Quantencomputerplattformen verwendet werden, benötigen Verdünnungskühlschränke, um sie auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt zu bringen. Sogar Raumtemperaturtechnologien wie die Photonik erfordern unterstützende Maschinen, die normalerweise groß und teuer sind und häufig gewartet werden müssen.
Ein Cloud-Dienst ist in den meisten Fällen der effizienteste Weg, um auf einen Quantencomputer zuzugreifen. Sie sind bereits kostengünstig auf großen Cloud-Plattformen wie Amazons AWS oder Microsofts Azure verfügbar: Weitere Informationen finden Sie in unserem Artikel zum Onboarding von Quantencomputern.
Ist Quantum Computing teuer?
Die Computer selbst sind immer noch teuer in der Anschaffung, aber die Nutzung von Cloud-basierten Quantum Computing-Ressourcen ist nur mit geringen Kosten verbunden. Siehe zum Beispiel die Preise, der auf Amazon Bracket gehosteten Quantenprozessoren. Wenn Sie für ein Optimierungs- oder Simulationsproblem 10-mal mit 100 Shots auf dem Quantenprozessor für jede Aufgabe iterieren müssten, würde dies zum Zeitpunkt des Schreibens (Dezember 2022) nur 4 US-Dollar kosten, selbst bei den teuersten Ressourcen.
Ist Quantum Computing noch unausgereift?
Die Antwort ist vielleicht nicht die befriedigendste – es kommt darauf an. Quantum-Annealer haben bereits die Größe und Reife erreicht, um reale Geschäftsaufgaben auszuführen und einen frühen Quantenwert bei der Optimierung und Planung zu demonstrieren. Die D-Wave „Advantage“ QPU (aktualisiert 2021) hat 5.000 Qubits. Die flexiblere „Advantage2“-Architektur in den Jahren 2023-24 wird voraussichtlich 7.000 umfassen. Annealer sind auch die am leichtesten zugängliche Technologie für Softwareentwickler.
Schaltungsbasierte Quantencomputer hingegen sind noch in ihrem Anwendungsbereich begrenzt. Sie sind deutlich kleiner: z. B. 216 Qubits für Xanadus 2022er „Borealis“-Prozessor oder 433 Qubits für den im November 2022 vorgestellten IBM „Osprey“-Prozessor. Außerdem begrenzt ihr Rauschen die Länge und Komplexität von Berechnungen (Dekohärenz) – wir sind es derzeit in der Noisy Intermediate Scale Quantum (NISQ)-Ära.
Das bedeutet, dass die schaltungsbasierte Technologie noch nicht in der Produktion zum Einsatz kommen wird. Bei solch schnellen Fortschritten dürften jedoch Hybridalgorithmen, die Quantenprozessoren mit klassischen Ressourcen kombinieren, in den nächsten Jahren kommerziell rentabel werden. Quantum-only-Anwendungen werden mittel- bis langfristig folgen. Wenn Sie eine umfassendere Antwort auf diese Frage wünschen, lesen Sie unbedingt meinen Artikel Wann sollte der Einsatz von Quantencomputer vermieden werden und wann nicht?
Was können wir in naher Zukunft erwarten?
Quantum Computing ist bereits eine praktikable Option für Optimierungs- und Planungsaufgaben, die in den meisten Unternehmen zu finden sind und wird in manchen Fällen herkömmliche Computer übertreffen. Hybride Algorithmen für Simulation und KI werden kurzfristig kommerziellen Nutzen erreichen.
Infolgedessen wird wahrscheinlich praktisch jede Branche kurz- bis mittelfristig, d. h. in diesem Jahrzehnt, von einer Disruption betroffen sein. Sowohl die Algorithmen als auch die Hardwarekapazität entwickeln sich rasant. Nachdem IBM beispielsweise gerade im November 2022 seinen 433-Qubit-Prozessor „Osprey“ vorgestellt hat, erwartet IBM seinen „Condor“-Prozessor der nächsten Generation mit 1121 Qubits im Jahr 2023 auszuliefern.
Was können wir längerfristig erwarten?
Der wachsende Umfang von Quantenprozessoren wird genutzt, um die Rauschprobleme zu überwinden. Google rechnet damit, um 2029 10.000 Qubits zu einem einzigen rauscharmen „logischen“ Qubit zu kombinieren und diese logischen Qubits zu einem fehlerkorrigierten Quantencomputer zu verbinden. Bei diesem Fortschrittstempo ist es nicht verwunderlich, dass der CEO von Xanadu Quantum, Christian Weedbrook erwartet bis 2030 mehrere Millionen Qubit-Quantencomputer.
Zusammenfassung
Quantencomputer bieten eine Möglichkeit, Berechnungen durchzuführen, die sich radikal von der Arbeitsweise herkömmlicher Computer unterscheidet. Bei einigen Aufgaben können sie erheblich, sogar exponentiell, schneller sein. Als solche werden sie herkömmliche Computer eher ergänzen als ersetzen.
Bereits heute kann Quantum bei Optimierungs- und Planungsproblemen in den meisten Branchen geschäftlichen Nutzen erzielen. In Kürze sollen hybride quantenklassische Anwendungen in den Bereichen Simulation, Materialdesign und KI folgen. In den meisten Fällen ist der effizienteste Weg, diesen Wert zu realisieren, der Zugriff auf Quantenressourcen in der Cloud (z. B. Amazon Braket oder Microsoft Azure Quantum).
Wenn diese häufig gestellten Fragen zu Quantencomputern Sie dazu gebracht haben, mehr über die geschäftliche Machbarkeit von Quantencomputern zu erfahren, besuchen Sie unsere Webseite mit Dienstleistungen zu Quantum Computing. Sie können sich auch an uns wenden, damit wir Ihnen helfen können, den besten Ort für Quantum Computing in Ihrem individuellen Geschäftskontext zu finden.
Quantum Computing Glossary
Annealer – ein Gerät, das speziell für die Durchführung von Optimierungsaufgaben entwickelt wurde. Glüher sind vom uralten Prozess des Glühens von Metallen inspiriert. Das System ist so eingestellt, dass sein niedrigster Energiezustand dem Optimum in der zu lösenden Geschäftsaufgabe entspricht.
Circuit / Schaltung – ein Netzwerk aus Quantengattern, basierend auf dem ähnlichen Konzept klassischer Logikschaltungen.
Decoherence – eine unerwünschte Wechselwirkung des Quantenprozessors mit der Umgebung, die dazu führt, dass der Quantenzustand, der zur Verarbeitung von Informationen verwendet wird, nur für kurze Zeit besteht. Das Ziel ist, dass eine bessere Schaltung und Fehlerkorrektur dies überwinden wird.
Fehlerkorrektur – die Praxis, mehrere physische Qubits (mindestens 7) zu einem einzigen qualitativ hochwertigen „logischen“ Qubit mit geringfügigem Rauschen zu kombinieren.
Factorisation /Faktorisieren – Das Aufzeichnen einer Zahl als Produkt mehrerer kleinerer (nicht teilbarer) Primzahlen. Die Verschlüsselung, die zum Sichern der Kommunikation, beispielsweise von Webseiten, verwendet wird, beruht auf der Tatsache, dass das Faktorisieren großer Zahlen selbst auf den schnellsten herkömmlichen Computern enorm viel Zeit in Anspruch nimmt.
Quantengatter / Gate – ein Begriff für bestimmte Quantenoperationen analog zu klassischen Logikgattern. Ein Quantenschaltkreis ist ein Netzwerk von Quantengattern, das auf dem ähnlichen Konzept klassischer Logikschaltkreise basiert.
Hybride Algorithmen – Algorithmen, die einen Quantenprozessor mit herkömmlichen Rechenressourcen kombinieren, um das Beste aus beiden herauszuholen und die Einschränkungen in Bezug auf Skalierung und Rauschen kurzfristiger Quantengeräte zu umgehen.
Key Exchange / Schlüsselaustausch – der Prozess, bei dem zwei oder mehr Parteien, kryptografische Codes zwischen sich einrichten, die eine verschlüsselte und sichere Kommunikation ermöglichen. Eine weit verbreitete Art des Key Exchange, bekannt als Diffie-Hellman, ist anfällig für die Entschlüsselung durch Quantencomputer. Der Quantenschlüsselaustausch hingegen „verschränkt“ die ausgetauschten Qubits, um die Sicherheit mithilfe der Grundgesetze der Quantenphysik herzustellen.
NISQ – steht für Noisy Intermediate Scale Quantum Computers, um aktuelle und kurzfristige Quantengeräte zu beschreiben. Sie sind verrauscht, was bedeutet, dass der Zustand des Geräts schnell entkoppelt wird und Informationen verloren gehen. Sie sind auch im Maßstab begrenzt – die Anzahl der Qubits und die Schaltungstiefe.
Probabilistic – ist eine Eigenschaft der Quantenmechanik und damit von Quantencomputern, welche sich mit der Wahrscheinlichkeit von Messergebnissen befasst und nicht mit Messungen, die jedes Mal identisch sind. Folglich werden Quantenalgorithmen typischerweise viele Male ausgeführt, um die statistische Verteilung der Ergebnisse zu messen und daraus die Antwort abzuleiten.
Qubit – das Quantenäquivalent der Bits eines herkömmlichen Computers. Ein Qubit kann sich im Zustand 0 und 1 befinden, aber im Gegensatz zu seinem klassischen Gegenstück, kann es sich auch in einer Überlagerung mehrerer Zustände befinden.
Quanteninspiriert – neue Ansätze zur Lösung von Problemen, insbesondere von Optimierungsproblemen, die von Quantencomputern inspiriert sind, aber traditionelle Hardware verwenden. Beispielsweise ein Annealer, der mit benutzerdefinierten Logikschaltungen (FPGAs) oder Grafikkarten konstruiert wurde.
Shots – Quantencomputer sind von Natur aus probabilistisch, was bedeutet, dass ein Problem mehrere Male ausgeführt wird, um das Ergebnis zu bestimmen.
Er hat einen Doktortitel in Quantenphysik und 10 Jahre Erfahrung in der Entwicklung von Full-Stack-Software, davon verbrachte er bereits über die Hälfte der Zeit bei Objectivity.
