Das Ende der Digital-Technologie durch Einzug des Quantencomputers mit Qbits

Quantenrechner

Einführung in den Aufbau und die Funktionsweise von Quantencomputer mit QuBits. QBits ersetzen Bits und läuten daher das Ende der Digital-Technologie ein. Algorithmen für klassische Rechner nach der Von-Neumann-Architektur (VNA) rechnen mit Bits und haben die binären Zustände 0 und 1. Algorithmen für Quanten-Computer rechnen mit Quantenbits (QuBits) und haben mehrere Zustandsvarianten, z.B. orthogonale Zustände oder unendlich viele Superpositionszustände.

Algorithmen, wie sie in der digitalen Welt täglich zum Einsatz kommen, funktionieren bei Quantencomputern nicht.

Welche Algorithmen bei Quantencomputern angewendet werden können, ist Stand heute noch nicht erforscht.

Voraussichtlich können auf Basis von Deutsch-Josza-Algorithmen (die auf die Quanten-Interferenz-Effekte basieren) oder von Grover-Algorithmen (die sich die Superposition zu Nutze machen (z.B. für Datenbankzugriffe), Programmierungen auf Quantencomputern erfolgen.

IBM selbst sucht nach den richtigen Algorithmen und nutzt hierfür eine Art Open Innovation-Management-Strategie und stellt eine Quanten-Simulationsplattform für Jedermann zur Verfügung (URL weiter unten im Text).

Die Programmierung von Quantencomputern ist neu, so dass jeder mathematisch-orientierte Neuling jetzt gute Chancen für einen Einstieg hat.

Es ist anzunehmen, dass Quanten-Computer mittelfristig die derzeit populären Trends im Segment der künstlichen Intelligenz, wie beispielsweise künstliche neuronale Netzwerke (KNNs), ablösen werden.

Während zahlreiche Unternehmen jeglicher Größe derzeit auf den Zug der Digitalisierung und der digitalen Transformation aufspringen, ist das Ende der technischen Digitalisierung bereits in Sicht.

Die digitale Vernetzung wird von der Quanten-Vernetzung abgelöst werden.

Die Quanten-Pioniere Anton Zeilinger und Jian-Wei Pan arbeiten bereits an einem satteliten-basierten China-Europa-Quanten-Netzwerk (unter anderem als Antwort auf die US-amerikanischen NSA-Aktivitäten), das ein unbemerktes Abhören von Daten unmöglich machen soll (Verschränkte Quanten im Orbit).

IBM’s Quanten-Simulation für Jedermann

In dem Projekt „Quantum Experience“ stellt IBM der breiten Masse einen Quantencomputer zur Verfügung. Dieser kann mit 5 QuBits wohl höchstens die Primfaktoren der Zahl 15 berechnen, – deren Ergebnisse (3 und 5) wir alle kennen (IBM Quantum Computing). Es geht vielmehr um die Algorithmen, die zu diesen Ergebnissen führen – die Rechenleistung ist dafür im ersten Schritt unwichtig.

Die Bereitstellung eines Quantencomputers oder einer Quantencomputersimulation von Big Blue eine freundliche Geste gegenüber der wissenschaftlichen Gesellschaft.

Nichtsdestotrotz verfolgt IBM damit keine reine Wohltätigkeit, – das gilt für alle Unternehmen die ähnlich gelagerte Open-Innovation-Plattformen anbieten. Quantencomputer sind nach aktuellem Stand der Technik, theoretisch nur für sehr wenige Anwendungen geeignet.

IBM versucht mit „Quantum Experience“ voraussichtlich nicht nur, neue Ideen für Quanten-Anwendungen durch das Hinzuziehen der Gesellschaft zu finden, sondern additiv neue interessante Mitarbeiter. Die Lizenzvereinbarungen lassen diese Rückschlüsse zu (IBM Quantum Experience Licence Agreement).

Quantencomputer – vereinfachte Beschreibung und Einsatzgebiet

Quantencomputer sind ein wenig wie die indische Gottheit „Shiva“, die mit ihren zahlreichen Armen vieles gleichzeitig erledigen kann.

Dabei machen sich Quantencomputer, je nach Ausprägung, die für uns Menschen schwer vorstellbaren drei Quanteneigenschaften zu Nutze (Welle-Teilchen-Dualismus, Superposition und Verschränkung).

Während ein Bit in der Digitaltechnik lediglich zwei Zustände annehmen kann (0 und 1/Strom ein und Strom aus), kann ein Quantenbit (kurz: QuBit) mehrere Zustände annehmen. Bildlich gesprochen kann ein Bit entweder zum Nordpol oder zum Südpol zeigen, ein Quantenbit jedoch gleichzeitig zu beiden Polen (und zu zahlreichen weiteren Orten auf der Erde).

Zitat Brigitte Bardot:

„das Unsympathische an Computern ist, dass sie nur Ja oder Nein sagen können, aber nicht Vielleicht.“

Quantencomputer können nun jedoch quasi auch Vielleicht sagen.

Ein Quantencomputer wäre somit prädestiniert, das Problem des Handlungsreisenden zu lösen (Problem des Handlungsreisenden).

Der Reisende möchte eine Rundreise über mehrere Städte planen und am Ende wieder am Ausgangspunkt ankommen. Bei vier Städten wären es lediglich 12 mögliche Routen, – bei 15 Städten jedoch 87 Milliarden mögliche Routen (dies ist übrigens der Grund, weshalb Airlines oder Internet-Reiseportale kaum Möglichkeiten für Rundreisebuchungen anbieten).

Quantencomputer sind Spezialisten für die Lösung von Aufgaben, die im kleinen Umfang einfach lösbar sind – im großen Umfang jedoch gigantische Ausmaße annehmen („Quanten-Speedup“). Das Quanten-Speedup ist ein Lösungsrezept für Quantencomputer, dessen Rechenzeit bei Vergrößerung des Problems nicht exponentiell wächst.

Aktuell fehlen kreative Lösungen hinsichtlich möglicher sinnvoller Anwendungen mit unterschiedlichen Algorithmen für Quantencomputer. Allerdings ist das Quanten-Engineering erst am Anfang und wird der Entwicklungskurve der Mikroelektronik in nichts nachstehen.

Die Experten spalten sich derzeit in zwei unterschiedliche Meinungslager.

Das eine Lager sieht Quantencomputer lediglich als Lösungen für bestimmte Anwendungsgebiete und somit für wenige Forschungsbereiche oder Wirtschaftsbranchen.

Die andere Expertenriege schätzt, dass sich die Anwendungsgebiete ähnlich entwickeln werden wie bei klassischen Computern (Von-Neumann-Prinzip) und dass Jedermann irgendwann einen Quantencomputer Zuhause haben wird.

Anfangs werden Quantencomputer weniger vielseitig sein als klassische Rechner. Die Leistung liegt aller Wahrscheinlichkeit nach in der Lösung von Optimierungs- und Mustererkennungs-Herausforderungen (siehe oben). In so fern könnten Quantencomputer, wie erwähnt, zukünftig ggf. neuronale Netzwerke im Bereich der Bild- oder Text-Erkennung ablösen.

Quantencomputer – Rechenzentrum-Umgebung

Quanten verlieren ihre Eigenschaften zum Zeitpunkt der beabsichtigten oder unbeabsichtigten Messmöglichkeit.

Beim Doppelspaltexperiment wird zum Zeitpunkt der Messung der Aufenthaltsort oder die Geschwindigkeit eines Quants definiert (nicht beides zusammen, – Heisenberg’sche Unschärferelation).

Im Beispiel von Schrödingers Katze müsste die Katze in der Kiste vollständig von der Außenwelt abgeschirmt werden; im Augenblick, in dem mit Messgeräten die Körperwärme oder der Herzschlag der Katze gemessen werden könnte, würden die Quanten die Eigenschaften verlieren und die Katze wäre entweder tot oder lebendig, jedoch nicht „mehr“ beides gleichzeitig.

Ein Quantencomputer kann nicht lange von der Außenwelt isoliert werden. Der Weltrekord liegt aktuell bei 30 Millisekunden (in der das Licht immerhin 9 km weit kommt). Deswegen werden Quantencomputer beispielsweise im Vakuum betrieben um Zusammenstöße mit Luftmolekülen zu verhindern, die wiederum Informationen nach außen transportieren können; auch werden Quantencomputer nahe dem absoluten Nullpunkt (-273 °C) betrieben, um verräterische Wärmestrahlungen zu verhindern.

Quanten-Computer – in Frage kommende Algorithmen

Bisweilen ist lediglich die Funktionsweise zweier Algorithmen hoch wahrscheinlich, die für die Lösung von für Quantencomputer relevanten Problemstellungen geeignet wären. Zum einen der Shor-Algorithmus (weil Faktorisierungsprobleme eine Periode haben) und zum anderen der Grover-Algorithmus (z.B. mit einem Hadamard-Gatter).

Es existieren jedoch weitere Quantenalgorithmen, die theoretisch auf Quantencomputern funktionieren könnten. Stephen Jordan vom National Institute of Standards & Technology hat alle zusammengefasst (ca. 50) und nennt sie sein „Zoo der Quantenalgorithmen“ (Joint Center for Quantum Information and Computer Science).

Zurzeit gibt es nicht allzu viele Probleme, für die Quantencomputer geeignet sind. Das Faktorisierungsproblem ist zwar sehr schwierig, aber es gibt zig tausende Probleme, die deutlich schwieriger sind. Diese Probleme haben aber nicht die mathematische Struktur, die Peter Shor für den Shor-Algorithmus ausnutzte.

Es gibt derzeit keine Indikatoren, dass diese Probleme gelöst werden können, – weder von Quanten- noch von klassischen Computern.

Aus dieser Perspektive ist die Idee von IBM, der Gesellschaft die Tür zum Quantencomputer zu öffnen, um Anwendungsfelder zu finden, nachvollziehbar und intelligent.

Weitere Hersteller von Quantenrechnern

Neben dem Hersteller D-Wave entwickelt auch mein Kollege John Martinis von der University of California einen Quantenrechner (für Google).

Dieser arbeitet aktuell mit 512 QuBits und ist so schnell wie ein moderner PC.

Dieses Jahr soll der Rechner auf 1000 QuBits erweitert werden und damit ca. 1000x schneller sein.

Der Weg zum Quantencomputing erfolgt zwangsläufig

Das Moor’sche Gesetzes zugrunde gelegt, werden in einigen Jahren die Transistoren konventioneller Prozessoren lediglich noch Atom-/Molekülgröße haben und per se in das Quanten-Engineering Einzug halten.

Auch heute arbeiten bereits viele Menschen mit Geräten, die auf quantenmechanische Effekte fundieren (z.B. USB-Sticks). Obgleich die Quantenmechanik noch nicht erforscht ist, erfolgte der Übergang zum Quanten-Engineering, da die Quantenmechanik zuverlässige Merkmale aufweist auf Basis derer Produkte entwickelt werden können.

Quantencomputer und die Datensicherheit

Das Magazin Fokus beschrieb zum Zeitpunkt der Snowden-Enthüllungen den Quantencomputer als „US-Monsterrechner“

(Originaltitel „US-Monsterrechner droht, die Welt ins Chaos zu stürzen“ Quantencomputer der NSA).

Diese Befürchtung des Magazins ist äußerst übertrieben und der Artikel rechtfertigt diese reißerische Überschrift keineswegs.

Es gibt bereits mehrfache mathematische Verschlüsselungsverfahren, die für Quantenrechner unlösbar sein werden (z.B. zufällige Ellipsenberechnungen).

Die Verschlüsselungsalgorithmen beinhalten keine versteckte Periodizität, die Quantencomputer ausnutzen könnten.

Johannes Buchmann von der Technischen Universität Darmstadt arbeitet daran, diese Verschlüsselungsverfahren für den schnelllebigen Internetalltag fit zu machen. Der Quantencomputer wird das Ende für derzeitige Kryptographiemethoden sein, aber sicher nicht das Ende der Kryptographie an sich.

Unternehmen im Silicon Valley wollen alles über jeden wissen

Dass wir alle unsere Daten verschlüsseln sollten, bestätigt die Unterhaltung zwischen Seth Lloyds, Physiker am MIT und den Milliardären aus dem Silicon Valley, z.B. Larry Page von Google.

Regelmäßig findet ein Dinner zwischen den Forschern und den Milliardären statt. Lloyd zeigte Larry Page auf, wie er die Google-Suchmaschine sicherer machen könnte. Google war hoch interessiert an den Quanten-Kenntnissen von Lloyd, jedoch weniger von dessen Quanten-Verschlüsselungsvorhaben. Lloyd bekam am nächsten Tag eine Absage von Larry Page „wir können das nicht kaufen“. Lloyd entgegnete „natürlich könnt ihr! Ihr habt eben mehr als eine Milliarde für Youtube ausgegeben. Im datenschutzsensiblen Europa könnt ihr damit punkten!“ Doch Page antwortete „unser Geschäftsmodell basiert darauf, alles über Jeden zu wissen; wir können nicht in ein Geschäftsmodell investieren, dass uns daran hindert über Jeden alles zu wissen.“

Es ist offensichtlich, dass nicht nur Staaten Interesse an allen Lebensinhalten der ganzen Menschheit haben.

Vor diesem Hintergrund und der Tatsache, dass die Mustererkennung in Massendaten mit klassischen Rechnern und Verfahren zunehmend schwieriger wird, bleibt anzuraten, dass Angebot von IBM anzunehmen um erste Erfahrungen mit dem Quantencomputer zu sammeln. Damit sind nicht nur Informatiker angesprochen, sondern ebenso alle Menschen, die mit „Big Data“ in Berührung kommen (wollen), – ungeachtet ob es dabei um Geistes-, Wirtschafts-, Rechts- oder Natur-Wissenschaftler handelt.

Ausblick bis 2030 …und etwas darüber hinaus

Mittelfristig werden leistungsstarke Quantencomputer mit unterschiedlichen Quantenserviceangeboten zur Verfügung stehen.

Die Services werden z.B. Suchdienste sein, die bis dahin unglaublich große Datenmengen durchsuchen und analysieren können.

Quantenalgorithmen in Erbgutdatenbanken für professionelle medizinische Anwendungen wird es ebenso geben wie für Standardunternehmen zur Personalbeschaffung (z.B. IQ-Potential) oder für Konsumenten (z.B. Partnerauswahl, eÄrzte, Arzneimittel).

Wetterdienste werden zahlreiche (Mikro-)Klimasimulationen zur Verfügung stellen und die Variante mit der höchsten Eintrittswahrscheinlichkeit markieren können (vom Wetter überraschte Menschen gäbe es nur noch an Orten ohne Internetverbindungen).

Auch die komplexe Planung von Leiterbahnen und Transistorschaltungen auf Mikrocontrollern wird von Quantenservices durchgeführt und optimiert werden (im ureigenen Sinne wird der Quantenrechner sich selbst konstruieren und verbessern können).

In so fern kann die Know-how-Anreicherung im Quanten-Engineering nicht falsch sein, – auch wenn es in diesem Jahrhundert garantiert noch dazu kommen wird, dass künstlich erschaffene oder künstlich erweiterte (Bio-)Intelligenzen nicht nur den besten menschlichen Verstand, sondern auch die Intuition übertreffen werden.

Spannend ist es allemal.

Leiter Forschung für künstliche Intelligenz und maschinelles LernenAutor: Rüdiger Off

Position: Forschung & Entwicklung, Produktentwicklung

Profil: Rüdiger Off

2018-01-06T19:01:33+02:00