Eine der wichtigsten wissenschaftlichen Aufgaben unserer Zeit war der Wettlauf um den ersten nützlichen Quantencomputer. Tausende von Physikern und Ingenieuren sind daran beteiligt. Ihre Konzepte werden von IBM, Google, Alibaba, Microsoft und Intel entwickelt. Wie verändert ein leistungsfähiges Computergerät unsere Welt und warum ist es so wichtig?
Stellen Sie sich einen Moment vor: Ein vollwertiger Quantencomputer entsteht. Er wurde ein vertrautes und natürliches Element unseres Lebens. Klassisches Rechnen wird heute nur noch in der Schule im Geschichtsunterricht gesprochen. Irgendwo tief in den kalten Kellern arbeiten leistungsstarke Maschinen mit Qubits, um die Arbeit von Robotern mit künstlicher Intelligenz zu unterstützen. Sie erledigen alle gefährlichen und einfach eintönigen Dinge. Wenn Sie durch den Park gehen, sehen Sie sich um und sehen alle Arten von Robotern. Humanoide Wesen gehen mit Hunden spazieren, verkaufen Eiscreme, reparieren Kabel und durchstreifen das Territorium. Einige Modelle ersetzen Haustiere.
Wir hatten die Möglichkeit, alle Geheimnisse des Universums aufzudecken und in uns selbst zu schauen. Die Medizin hat ein neues Niveau erreicht - jede Woche werden innovative Medikamente entwickelt. Wir können vorhersagen und bestimmen, wo sich knappe Ressourcen wie Gas und Öl befinden. Das Problem der globalen Erwärmung wurde gelöst, Energiesparmethoden wurden optimiert, in Städten gibt es keine Staus mehr. Ein Quantencomputer steuert nicht nur alle Robotermaschinen, sondern sorgt auch für freie Bewegung: Überwacht die Situation auf den Straßen, korrigiert Routen und fängt bei Bedarf die Kontrolle der Fahrer ab. So könnte ein Quantenzeitalter aussehen.
Quantum Goldrausch
Die Anwendungsaussichten sind atemberaubend, sodass die Investitionen in Quantenentwicklungen jedes Jahr steigen. Der weltweite Quantencomputermarkt wurde im Jahr 2018 auf 81,6 Millionen US-Dollar geschätzt. Experten von Market.us gehen davon aus, dass es bis 2026 381,6 Millionen US-Dollar erreichen wird. Das heißt, es wird von 2019 bis 2026 um durchschnittlich 21,26% pro Jahr zunehmen.
Dieses Wachstum wird durch den zunehmenden Einsatz von Quantenkryptografie in Sicherheitsanwendungen angetrieben und ist auf Investitionen von Interessenten im Quantencomputermarkt zurückzuführen. Bis Anfang dieses Jahres haben private Investoren laut einer Analyse der Fachzeitschrift Nature weltweit mindestens 52 Quantentechnologie-Unternehmen finanziert. Große Unternehmen wie IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel und D-Wave Systems haben Mühe, einen praktisch anwendbaren Quantencomputer zu entwickeln.
Ja, obwohl das Geld, das jährlich in diesen Bereich fließt, nur geringe Kosten verursacht (zum Vergleich: 2018 beliefen sich die Investitionen in AI auf 9,3 Milliarden US-Dollar). Diese Zahlen sind jedoch von Bedeutung für eine unreife Branche, die noch keine Leistungsindikatoren vorweisen kann.
Quantenprobleme lösen
Sie müssen verstehen, dass die Technologie heute noch in den Kinderschuhen steckt. Es konnten nur Prototypen von Quantenmaschinen, einzelne experimentelle Systeme erstellt werden. Sie sind in der Lage, feste Algorithmen mit geringer Komplexität auszuführen. Der erste 2-Qubit-Computer wurde 1998 entwickelt und die Menschheit brauchte 21 Jahre, um die Geräte auf das richtige Niveau zu bringen, die sogenannte „Quantenüberlegenheit“. Dieser Begriff wurde von John Preskill, Professor am California Institute of Technology, geprägt. Und es bedeutet die Fähigkeit von Quantengeräten, Probleme schneller zu lösen als die leistungsstärksten klassischen Computer.
Ein Durchbruch in diesem Bereich gelang dem kalifornischen Unternehmen Google. Im September 2019 gab das Unternehmen bekannt, dass sein 53-Qubit-Sycamore-Gerät die Berechnung in 200 Sekunden durchführte, was für den modernsten Supercomputer 10.000 Jahre gedauert hätte. Die Aussage sorgte für große Kontroversen. IBM war mit solchen Berechnungen grundsätzlich nicht einverstanden. Das Unternehmen schrieb in seinem Blog, dass sein Summit-Supercomputer dies in 2,5 Tagen tun würde. Sie müssen lediglich die Speicherkapazität der Festplatte erhöhen. Obwohl der Unterschied in Wirklichkeit nicht so gewaltig war, war Google wirklich der erste, der eine „Quantenüberlegenheit“ erreichte. Dies ist ein wichtiger Meilenstein in der Computerforschung. Aber nicht mehr als das. Das Sycamore-Kunststück dient nur zu Demonstrationszwecken. Es hat keine praktische Anwendung und ist für die Lösung realer Probleme unbrauchbar.
Das Hauptproblem ist die Hardware. Wenn herkömmliche Rechenbits den Wert 0 oder 1 haben, können sich Qubits in einer merkwürdigen Quantenwelt gleichzeitig in beiden Zuständen befinden. Diese Eigenschaft nennt man Überlagerung. Die Qubits sind wie Kreisel: Sie drehen sich gleichzeitig im und gegen den Uhrzeigersinn, sie bewegen sich auf und ab. Wenn Sie dies verwirrend finden, befinden Sie sich in einer großartigen Gesellschaft. Richard Feynman hat einmal gesagt: "Wenn du denkst, du verstehst die Quantenmechanik, dann verstehst du sie nicht." Kühne Worte von einem Mann, der den Nobelpreis für ... Quantenmechanik erhalten hat.
Qubits sind also extrem instabil und unterliegen äußeren Einflüssen. Eine Maschine, die unter den Laborfenstern vorbeigeht, das interne Geräusch des Kühlsystems, ein vorbeiziehendes kosmisches Teilchen - jede zufällige Störung, jede Wechselwirkung beeinträchtigt ihre Synchronität und sie lösen sich. Dies ist katastrophal für die Datenverarbeitung.
Die Schlüsselfrage für die Entwicklung des Quantencomputers ist, welche von vielen untersuchten Hardwarelösungen die Stabilität von Qubits gewährleisten. Jeder, der das Problem der Kohärenzverletzung löst und Quantencomputer so verbreitet wie GPUs macht, erhält den Nobelpreis und wird zum reichsten Menschen der Welt.
Der Weg zur Kommerzialisierung
Im Jahr 2011 hat das kanadische Unternehmen D-Wave Systems Inc. die ersten, die Quantencomputer verkauften, obwohl ihre Nützlichkeit auf bestimmte mathematische Probleme beschränkt ist. Und in den kommenden Monaten werden Millionen von Entwicklern in der Lage sein, Quantenprozessoren über die Cloud einzusetzen - IBM verspricht, den Zugriff auf sein 53-Qubit-Gerät zu ermöglichen. Bisher haben 20 Unternehmen im Rahmen des Programms Q Network ein solches Privileg erhalten. Darunter sind Samsung Electronics, die Autohersteller Honda Motor und Daimler, die Chemieunternehmen JSR und Nagase sowie die Banken JPMorgan Chase & Co. und Barclays.
Die meisten Unternehmen, die heute mit Quantencomputern experimentieren, sehen sie als integralen Bestandteil der Zukunft. Jetzt ist ihre Hauptaufgabe herauszufinden, was im Quantencomputer funktioniert und was nicht. Und seien Sie der Erste, der Technologie in das Geschäft einführt, wenn sie fertig ist.
Transportorganisationen. Volkswagen entwickelt gemeinsam mit D-Wave eine Quantenanwendung - ein Verkehrsleitsystem. Das neue Programm ermöglicht es öffentlichen Verkehrsunternehmen und Taxiunternehmen in Großstädten, ihre Flotte effizienter zu nutzen und Wartezeiten für Fahrgäste zu minimieren.
Der Energiesektor. ExxonMobil und IBM forcieren das Quantum Energy Computing. Sie konzentrieren sich auf die Entwicklung einer Reihe neuer Energietechnologien, die Verbesserung der Energieeffizienz und die Reduzierung der Treibhausgasemissionen. Der Umfang und die Komplexität der Aufgaben, mit denen der Energiesektor konfrontiert ist, sprengen den Rahmen moderner traditioneller Computer und eignen sich gut zum Testen von Quantencomputern.
Pharmaunternehmen. Accenture Labs ist eine Partnerschaft mit 1QBit eingegangen, einem Unternehmen für Quantensoftware. In nur zwei Monaten nach der Forschung testeten sie das Konzept - die Anwendung der Modellierung komplexer molekularer Wechselwirkungen auf atomarer Ebene. Dank der Leistungsfähigkeit des Quantencomputers ist es möglich geworden, größere Moleküle zu analysieren. Was wird dies der Gesellschaft geben? Innovative Medikamente mit den geringsten Nebenwirkungen.
Finanzsektor. Technologien, die auf den Prinzipien der Quantentheorie basieren, ziehen zunehmend das Interesse der Banken auf sich. Sie sind daran interessiert, Transaktionen, Transaktionen und andere Arten von Daten so schnell wie möglich zu verarbeiten. Barclays und JP Morgan Chase (mit IBM) sowie NatWest (mit Fujitsu) führen bereits ihre speziellen Softwareentwicklungsexperimente durch.
Die Übernahme durch so große Konzerne und das Aufkommen unternehmerischer Quantenpioniere sprechen für die wirtschaftliche Lebensfähigkeit von Quanten. Wir sehen bereits, wie Quantencomputer für reale Aufgaben eingesetzt werden - von der Verbesserung der Energieeffizienz bis zur Optimierung der Fahrzeugrouten. Und wichtig ist, dass der Wert der Technologie mit ihrer Entwicklung wächst.