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Das Quantencomputerzeitalter hat begonnen – was gibt’s zu entdecken?

Die Computerindustrie ist geprägt von Innovationen. Einige Entwicklungen, wie z. B. das Mooresche Gesetz, stehen inzwischen am Ende ihres Lebenszyklus. Bereits seit längerem steht die Frage im Raum, wie besser und schneller gerechnet werden kann. Die Quantencomputer läuten ein neues Zeitalter ein.

Quanten sind, selbst für Physiker, ein immer noch großes Forschungsgebiet. Seine Zustände sind oft sehr flüchtig. Das liegt auch daran, dass diese oft sehr stark von Umwelt- und Messeinflüssen abhängen und sehr empfindlich darauf reagieren. Deswegen kann man zu dem aktuellen Zustand von Quanten oft auch nur mit Wahrscheinlichkeiten Aussagen treffen.

Der Hauptunterschied zwischen einem traditionellen und einen Quantencomputer ist die Art der Berechnung. War diese bisher deterministisch, das heißt, wiederholbar und damit nachvollziehbar, so ist diese bei Quantencomputern probabilistisch. Um mit der systembedingten Unschärfe bei Quantenzuständen umgehen zu können, gibt es mehrere Verfahren der Fehlerkorrekturen. Die Rechenstärke eines Quantencomputers wird in Qubits (Quantenbit) gemessen. Die Beschreibung der zwei Zustände erfolgt mit der Dirac-Notation, auch Bra-Ket-Notation genannt. Das Ergebnis der Operation eines Bras ⟨ v | auf einen Ket | w ⟩ wird ⟨ v | w ⟩ geschrieben. Statt nur eines Bits enthält die Variable einen mehrdimensionalen Vektorraum. Dieser ist menschlich schwer vorstellbar, ist aber z. B. auch die Grundlage vieler neuronaler Netze.

Die bisher verbreiteten Quantenalgorithmen sind von Glover und Shor und stammen aus den 90er Jahren. Auch wenn Quantencomputer bei Spezialaufgaben schneller rechnen können, bleiben NP-vollständig Probleme weiterhin harte Nüsse. Eine Gefahr besteht jedoch bei der Primafaktorzerlegung, die die Basis für viele populäre Verschlüsselungsverfahren ist. Deswegen haben sowohl das NSI als auch das BSI bereits Risikobewertungen für die Post-Quanten-Kryptografie herausgegeben und Wettbewerbe für sichere Verschlüsselungsverfahren gestartet.

Bereits 1981 hat der theoretische Physiker Richard Feynman das Ziel der Quantenüberlegenheit formuliert: „Der Quantencomputer kann bestimmte, besonders schwierige und komplexe Aufgaben in einer annehmbaren Zeit lösen, für die ein klassischer Rechner unpraktikabel lange Zeit benötigt. Er kann Lösungen finden, die bislang trotz Supercomputer unzugänglich blieben.“

Die Erreichung dieses Zieles ist immer noch in weiter Ferne, da bisher weder geeignete echte Anwendungsfälle existieren noch die fehlerkorrigierte Rechenleistung eines Quantencomputers in den nächsten Jahren dafür dauerhaft geeignet ist.

Seit 2016 stellt IBM Quantencomputer über die Cloud für jedermann kostenlos mit der Entwicklungsumgebung Qiskit zur Verfügung. Diese verwenden bereits über 200.000 Nutzer. Auch andere Cloud-Anbieter, wie Google, AWS und Azure haben Quantumcomputing-as-a-Service im Angebot. Bis auf Google laufen diese jedoch meist auf fremder Hardware oder nur auf Simulatoren. Wer das einmal selbst im Kleinen ausprobieren möchte, kann das auf einem Raspberry Pi Einplatinencomputer mit dem Qiskit-Simulator und Wettbewerbe auf einem RasQberry tun. Viele Cloud-Anbieter stellen freie Kontingente für Quantencomputer-Simulatoren zur Verfügung. Für die Nutzung richtiger Quantencomputer-Hardware fallen aktuell enorme Kosten an, weshalb dies eher für Forschungsinstitute oder Industriefirmen interessant ist. Deswegen bleibt die Umstellung von Bits auf Qubits ein echtes Forschungsgebiet, wenn auch die Einstiegshürden enorm gesenkt wurden.

Gerade wurde der erste kommerzielle Quantencomputer in Europa in Stuttgart installiert und wird gerade eingerichtet. Diesen betreiben IBM und die Fraunhofer Gesellschaft als Q System One mit >25 Qubits (nominell 27 Qubits, für Fehlerkorrekturen reduzieren sich die Qubits oft noch auf die Hälfte). Neben Forschungsinstituten sind beteiligen sich auch die großen Firmen aus der Auto-, Pharma- und Chemieindustrie, die dort dafür vermutlich die meisten Anwendungsmöglichkeiten haben.

Als führendes Unternehmen hat IBM seine Roadmap für die Entwicklung von Quantencomputern vorgelegt. Von dem aktuellen Quantenprozessor IBM Quantum Hummingbird mit 65 Qubits soll die Zahl der Qubits in den nächsten Jahren bis 2023 auf 1121 Qubits steigen. Erst dann wird die Rechenleistung interessant, um echte Praxisprobleme zu lösen.

Krisen schaffen oft den Boden für die Nutzung neuer Ansätze. Insofern ist mit den Quantencomputern ein neuer Stern am Computerhimmel erschienen. Auch wenn bisher noch einige theoretische Probleme zu lösen sind und noch echte Anwendungsfälle fehlen, sind die Grundlagen für eine eingeschränkte Nutzung gelegt. Dies wird Auswirkung auf die Verwendung neuer Verschlüsselungs- und KI-Verfahren haben. Das Quantencomputerzeitalter hat begonnen und wartet mit spannenden Entdeckungen auf uns.

Weitere interessante Links:

IBM: The Quantum Decade

IBM und Quantum Computing – Ein Überblick und Ausblick.

IBM’s Roadmap For Scaling Quantum Technology

IBM: On “Quantum Supremacy”

Fraunhofer und IBM bringen Quantenrechner für Industrie und Forschung nach Deutschland

Wikipedia: Quantenüberlegenheit

Migration zu Post-Quanten-Kryptografie

BSI TR-02102-1 “Kryptographische Verfahren: Empfehlungen und Schlüssellängen” Version: 2021-01

Submission Requirements and Evaluation Criteria for the Post-Quantum Cryptography Standardization Process

GitHub: Qiskit

RasQberry: Quantum Computing is the Coolest Project for Raspberry Pi

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Autoreninfo

Frank Pientka ist Principal Software Architekt bei Materna in Dortmund und Gründungsmitglied der iSAQB, die sich um die Zertifizierung von Software-Architekten kümmert. Er beschäftigt sich seit mehreren Jahrzehnten mit skalierbaren und flexiblen Diensten in der Cloud. Dabei setzt er sich intensiv mit innovativen Software-Themen auseinander. Darüber schreibt und referiert er über verschiedenen Kanäle.

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