Neues aus der Forschung für Quantencomputing: Die Zukunft der Hochleistungsrechner

Quantencomputing – Vom Bit zum Qubit

Quantencomputer stoßen das Tor zu Leistungsbereichen auf, die für herkömmliche Supercomputer unerreichbar sind. Statt mit binären Bits auf Siliziumbasis, die nur die Zustände 0 oder 1 annehmen können, arbeiten Quantencomputer mit Qubits. Diese können jedes beliebige Verhältnis von 0 und 1 annehmen sowie dank überlagerter Quantenzustände jede Kombination beider Werte. Mit jedem zusätzlichen Qubit verdoppelt sich theoretisch die Rechenleistung. Mit zwei Qubits lassen sich vier Zustände gleichzeitig halten, mit zehn Qubits sind es bereits 1.024 und wären 100 rauschfreie voll funktionsfähige Qubits realisierbar, entspräche dies einer Quintilliarde möglicher Zustände.

Technologien in der Quantencomputer-Forschung

Qubits – das Herzstück im Quantencomputing – können auf verschiedenen physikalischen Prinzipien beruhen. Je nach Technologieplattform kommen dabei Neutralatome, Elektronen, Ionen, Photonen oder supraleitende Schaltkreise zum Einsatz. Jeder dieser Ansätze bringt eigene Stärken, Herausforderungen und Reifegrade mit sich. Die große Vielfalt dieser Plattformen zeigt, dass die Technologie noch in einem frühen, hochinnovativen Stadium steckt.

Potentiale der Quantencomputer für Forschung & Industrie

Doch es deutet sich an, dass Quantencomputer mit eigens entwickelter Algorithmik einen Boost für Planungs- und Steuerungsprozesse im Verkehrswesen, in der Logistik und industriellen Produktion auslösen, komplexe Berechnungen im Finanz- und Versicherungswesen umsetzen, sehr hoch aufgelöste Simulationen in der Fluid- und Thermodynamik, Meteorologie sowie im molekularen Design von Smart Materials oder neuer Wirk- und Impfstoffe ermöglichen werden. Auch für das Lösen mathematischer und physikalischer Aufgaben, an denen heutige Superrechner wochen-, jahre- und teils sogar jahrtausendelang rechnen müssten, scheinen die leistungsstarken Quantenrechner prädestiniert.

Das disruptive Potenzial von Quantencomputing

Das Quantencomputing befindet sich auf der Zielgeraden zur Vermarktung. Noch ist offen, welche der bisher aus der weltweiten Grundlagenforschung hervorgegangenen Technologieplattformen die ersten Systeme zur Marktreife bringen – und damit Marktanteile gewinnen werden.

Die Branche hat eine enorme Entwicklungsdynamik und konnte zuletzt weltweit rund 50 Milliarden US-Dollar an öffentlichen Fördermitteln und an privatem Risikokapital einwerben. Ansätze, die anfangs wenig Beachtung fanden, holen auf; etwa die mit Lasern in Vakuum kontrollierten Neutralatome. Umso wichtiger ist es für potenzielle Anwender wie auch für Anbieter herkömmlicher ITK-Lösungen (Informations- und Kommunikationstechnologien), die Entwicklung zu verfolgen und den Dialog mit den führenden Akteuren dieser jungen Branche zu suchen.

Quantencomputing und KI

Große Innovationssprünge verspricht das Zusammenwirken von Quantencomputern und künstlicher Intelligenz (KI). Mit dem Quanten-Maschinellen Lernen (QML) gibt es bereits ein interdisziplinäres Forschungsfeld, dass sich mit komplexen Energienetzen, quantenunterstützter Kryptographie oder dem effizienten Training neuronaler Netze beschäftigt. Es geht dabei um kombinatorische Optimierung in Systemen mit vielen Variablen, seien es industrielle Lieferketten, optimale Auslastung von Flughäfen und Schienensystemen oder die effiziente Planung verteilter Produktionsprozesse in der Industrie.