Quantencomputer: Die Hardware für KI

Die heutige Computerhardware auf der Basis von Mikroelektronik stößt bereits an ihre technologischen Grenzen. Die Zeit der ganz großen Entwicklungssprünge scheint vorbei zu sein. Seit Jahren wird das Ende von Moore’s Law diskutiert – eine 1965 vom Intel-Mitgründer Gorden Moore aufgestellte Gesetzmäßigkeit. Der zufolge verdoppelt sich die Leistung von Computerchips im Durchschnitt alle 18 Monate. Dieses exponentielle Wachstum der Rechenkapazität stößt jetzt an seine physikalischen Grenzen. Dabei steigen die Anforderungen beispielsweise durch komplexe Anwendungen aus dem Bereich der Künstlichen Intelligenz weiter an. Noch größer werden die Anforderungen, wenn wir verschiedene Mega-Technologien miteinander kombinieren, zum Beispiel KI mit Nanotechnologie, Gentechnik mit Cloud Computing oder Big Data mit Internet of Things. Die daraus entstehenden Möglichkeiten sind heute noch nicht mal abschätzbar – und genau das gilt auch für die Komplexität solcher Anwendungen.

Um das zu ermöglichen, arbeiten verschiedene Unternehmen bereits seit Jahren an einer neuen Computer-Generation, die auf einem anderen Funktionsprinzip basiert: Statt Mikroelektronik kommt Quantenmechanik zum Einsatz. Stark vereinfacht arbeiten Quantencomputer nicht mehr ausschließlich mit Bits als kleinster Speichereinheit, die nur den Wert 0 oder 1 annehmen können, sondern kennen auch noch einen Wert dazwischen, die sogenannten Qubits. Das Binärsystem wird also um eine Dimension erweitert und kann daher Informationen ganz anders darstellen, da die kleinste Speichereinheit nun drei Werte annehmen kann.

Physikalisch korrekt wird das Prinzip der Quantencomputer hier erklärt.

Wofür brauchen wir Quantencomputer?

Wir befinden uns aktuell am Anfang einer umfassenden digitalen Transformation der gesamten Gesellschaft, deren genauen Ausmaße aktuell noch niemand verlässlich vorhersagen kann. Schon heute entstehen gigantische Datenberge aus immer mehr Quellen und der Grad der Vernetzung wird noch deutlich steigen. In diesen Daten verbergen sich unzählige nützliche Informationen, die den Fortschritt der Menschheit enorm beschleunigen können. Durch die Digitalisierung und Vernetzung sämtlicher Wetterstationen der Welt ließen sich beispielsweise Wetter- und Klimamodelle simulieren, die dank Künstlicher Intelligenz alles, was wir heute aus diesem Bereich kennen, in den Schatten stellen. Damit lässt sich das Wetter zwar nicht kontrollieren, doch die Vorhersage extremer Wetterereignisse wäre viel präziser. Das dient nicht nur der Sicherheit, sondern erlaubt auch konkrete Rückschlüsse der menschlichen Einflüsse auf das Klima.

Quantencomputer sind immer dann gefragt, wenn es um große Datenmengen und komplexe Zusammenhänge geht. Aktuell ist das vor allem in der Forschung und Wissenschaft der Fall, doch mit zunehmender Entwicklung der Mega-Technologien werden sie auch für die Wirtschaft interessanter, beispielsweise aus dem Bereich Mobility.

So experimentiert Volkswagen auf der Suche nach neuen Geschäftsmodellen mit einem neuartigen Verkehrsleitsystem. Dabei werden anonymisierte Bewegungsdaten von Transmittern in Fahrzeugen und den Smartphones der Verkehrsteilnehmer analysiert, um Verkehrs- und Personenaufkommen abzubilden. Während dieser Schritt noch von herkömmlichen Computern erledigt werden kann, übernimmt die Optimierung des Leitsystems dann ein Quanten-Algorithmus. Dieser berechnet im Vorfeld präzise die exakte Anzahl der nötigen Fahrzeuge, damit alle Verkehrsteilnehmer ohne Wartezeiten an ihre Ziele gelangen und alle Fahrzeuge ohne Leerfahrten auskommen. Die nächste Steigerung der Komplexität wäre dann ein komplett automatisiertes Verkehrssystem.

Ähnlich komplexe Szenarien, wie die dezentralisierte Energieversorgung oder Smart-City-Projekte, könnten ebenfalls nicht nur von der Kapazität der Quantencomputer profitieren, sondern teilweise erst dadurch möglich werden. Neben der Künstlichen Intelligenz als Basistechnologie der Zukunft sorgen vor allem die Anforderungen Echtzeit und Kombinatorik für großen und schnellen Rechenbedarf. Die Energiewende mit der Abkehr von großen Megakraftwerken hin zu vielen kleinen dezentralen Energieerzeugern erfordert nicht nur eine sehr intelligente Verteilung, sondern auch präzise Vorhersagen zum Verbrauch und zur Einspeisung regenerativer Energien. Wird ein solches Energiesystem einerseits mit dem IoT verbunden, um den Verbrauch zu analysieren und nach Verfügbarkeit zu regeln, und andererseits auch noch mit dem digitalisierten Wettermodell, um die Einspeisung präzise berechnen zu können, steigt der Rechenbedarf über die Kapazität heutiger Supercomputer.

Fazit: Quantencomputer sind eine Option, kein Ersatz

Es wird noch viele Jahre viel mehr Aufgaben für herkömmliche Computer geben als für Quantenrechner. Und ob wir jemals selbst einen Quantencomputer auf dem Schreibtisch stehen haben werden, steht noch nicht fest. Allerdings wissen wir heute auch, dass sich zu Beginn der Mikroprozessoren auch kaum jemand vorstellen konnte, dass wir heute fast alle einen in der Hosentasche mit uns herumtragen. Dennoch wurde auf der CES 2019 mit dem IBM Q System bereits der erste kommerziell nutzbare Quantencomputer vorgestellt. Der Anfang ist also gemacht, und wenn es auch hier so etwas wie das Moorsche Gesetz geben wird, verläuft die weitere Entwicklung ebenfalls exponentiell. Dann ist es sicher nicht mehr weit, bis wir auch erste Anwendungen für das Marketing sehen werden, denn auch hier steigen Datenmengen und die Komplexität sprunghaft an und werden schon bald enorme Rechenkapazitäten einfordern.