Klassisches Computing hat einen langen Weg zurückgelegt, von der Lösung einfacher mathematischer Probleme bis hin zur Nutzung zusätzlicher Ressourcen zur Lösung hochkomplexer Aufgaben. Die Grenzen des klassischen Computings verhindern jedoch, dass es die viel komplexeren Herausforderungen lösen kann, denen die Welt heute gegenübersteht, und hier kommt das Quantencomputing ins Spiel.

Obwohl derzeit nicht kommerziell (in großem Maßstab) verfügbar, wird erwartet, dass das Quantencomputing die Welt, wie wir sie kennen, verändern wird, indem es die nächste Generation der Transformation in den Bereichen Finanzen, Medizin, Verschlüsselung, künstliche Intelligenz (KI) und zahlreichen anderen Bereichen einleitet.

Vom Bit zum Qubit – der Übergang vom klassischen zum Quantencomputing

Im klassischen Computing, das Telefone, Laptops und fast alle anderen Geräte umfasst, werden Informationen in einem binären Format gespeichert. Diese Informationen existieren als Bit, das entweder 0 oder 1 ist.

Im Quantencomputing bleibt die Information nicht nur in 0 und 1, sondern kann auch gleichzeitig zwischen beiden Bits existieren. Hier ist die Grundeinheit des Speichers kein Bit, sondern ein Quantenbit (Qubit). Ein Qubit wird durch die Nutzung eines physikalischen Systems (Elektronen oder Photonen) erzeugt. Da diese Qubits im Wesentlichen in einem „Zwischenzustand“ existieren, können sie Teil mehrerer verschiedener Anordnungen gleichzeitig sein, was als Quantenüberlagerung bekannt ist. Wenn verschiedene Qubits miteinander verbunden werden, wird der Prozess als Quantenverschränkung bezeichnet. Quantenüberlagerung und Verschränkung ermöglichen es zusammen, dass zahlreiche Qubits gleichzeitig verschiedene Dinge darstellen können.

Quantencomputing wurde entwickelt, um große und unstrukturierte Probleme zu lösen. Es verspricht, komplexe Aufgaben in wenigen Minuten oder Stunden zu lösen, die einem klassischen Computer Tausende von Jahren gedauert hätten. Zum Beispiel gab Google 2019 bekannt, dass es zum ersten Mal „Quantenüberlegenheit“ erreicht hat. Ihr 54-Qubit-Sycamore-Prozessor war in der Lage, eine mathematische Berechnung in 200 Sekunden durchzuführen, die auf dem schnellsten Supercomputer der Welt 10.000 Jahre gedauert hätte.

Wenn man über die Wissenschaft hinter dem Quantencomputing spricht, ist es wichtig zu beachten, dass der Zustand, in dem ein Qubit existiert, extrem empfindlich ist und jede Störung dazu führen könnte, dass das Qubit seinen Zustand verliert. Zum Beispiel sind Quantencomputer extrem empfindlich gegenüber Wärme. Kollisionen von Luftmolekülen könnten dazu führen, dass ein Qubit seine Quanten-Eigenschaften verliert und sich wieder als 1 oder 0 einpendelt. Dies wird als Quantendekohärenz bezeichnet.

Quantendekohärenz könnte dazu führen, dass das gesamte System abstürzt.

Wie wird Quantencomputing Unternehmen beeinflussen?

Da Unternehmen sich der Kommerzialisierung von Quantencomputing-Produkten nähern, wird es zunehmend wichtig, die verschiedenen Anwendungen zu identifizieren, die davon profitieren werden. Quantencomputing kann für zahlreiche Anwendungen genutzt werden, um komplexe Probleme zu lösen, die auf einem klassischen Computer nicht effizient gelöst werden können. Diese Probleme könnten in einer Vielzahl von Bereichen auftreten, wie z.B. Lieferkette und Logistik, KI und maschinelles Lernen, Finanzen, Kryptographie, Gesundheitswesen, Cybersicherheit, Verkehrsoptimierung, Wettervorhersage, Energieverbrauch und so weiter.

Die Grenzen des Quantencomputings sind grenzenlos, sobald sowohl Hardware- als auch Software-Herausforderungen bei der Implementierung gelöst sind. Die wichtigste Herausforderung besteht darin, sicherzustellen, dass Qubits ihren Zustand der Überlagerung unbeeinflusst von äußeren Einflüssen wie Wärme oder Vibrationen beibehalten.

Obwohl es viele Branchen gibt, gibt es ein paar wiederkehrende Themen, die auftauchen, wenn wir über Quantencomputing sprechen – Optimierung und Forschung. Hier ist eine Liste von Anwendungen, die das Quantencomputing drastisch verbessern oder lösen könnte:

Sprechen wir über ein paar Schlüsselbereiche im Detail:

Arzneimittelforschung und -entwicklung: Das Gesundheitswesen stand aufgrund der COVID-19-Pandemie im Vordergrund. Unternehmen geben jetzt Milliarden von Dollar für Arzneimittelforschung und Forschung und Entwicklung im medizinischen Bereich aus, führen Impfstoffversuche durch, betreiben neue Arzneimittelforschung, studieren Molekularbiologie und andere Gesundheitsbereiche.

Quantencomputing könnte klinische Studien, die Monate oder Jahre dauern, erheblich verkürzen, da alle Daten viel schneller verarbeitet und simuliert würden. Dies könnte kürzere Zeiten bedeuten, bis Medikamente auf den Markt kommen, kürzere Arzneimittelzulassungszeiten und kürzere Simulationen. In Anerkennung dieser neuen Quanten-Zukunft investieren Gesundheitsunternehmen in Quantencomputing. Zum Beispiel gab im Januar 2021 Boehringer Ingelheim, ein großes Gesundheitsunternehmen, bekannt, dass das Unternehmen eine Kooperationsvereinbarung mit Google Quantum AI eingegangen ist, um sich auf die Erforschung des Quantencomputings in der pharmazeutischen Forschung zu konzentrieren und diese zu entwickeln.

Finanzsektor: Einer der größten Bereiche, in denen das Quantencomputing große Fortschritte machen soll, ist der Finanzsektor, insbesondere im Bereich der Kundenansprache, der Vorhersageanalyse, der Risikoprofilierung und des Handels mit Finanzinstrumenten oder -märkten. Es wird erwartet, dass das Quantencomputing die Monte-Carlo-Simulationsmethoden drastisch verbessert. Die Monte-Carlo-Simulation ist eine mathematische Technik, bei der Forscher oder Experimentatoren Risikofaktoren bei Entscheidungen berücksichtigen können. Sie bietet eine Reihe möglicher Faktoren oder Ergebnisse basierend auf den gegebenen Variablen.

Quantencomputing kann diese Simulationen erheblich beschleunigen und Unternehmen helfen, viel schnellere Entscheidungen zu treffen und komplexe Daten zu analysieren. Finanzschwergewichte wie Barclays und JPMorgan waren einige der ersten Unternehmen weltweit, die das Quantencomputing für den Finanzsektor nutzten, indem sie mit IBM an seinem IBM Q-Netzwerk zusammenarbeiteten, und zwar bereits 2017.

KI und maschinelles Lernen: KI und maschinelles Lernen haben in allen Branchen große Fortschritte gemacht. Die Technologie steht derzeit in zahlreichen Bereichen im Vordergrund, wie z.B. in der Fertigung, Robotik und App-Entwicklung, und wird den Lauf des Lebens, wie wir es kennen, verändern. Aufgaben wie Bilderkennung, Sprach- und Videoerkennung, Vorhersagen, Betrugserkennung und andere werden alle im Hintergrund von KI und maschinellem Lernen bearbeitet.

Mit der Zunahme der Anwendungen steigt auch die Menge der Daten. Eine große Menge an Daten zu haben, ist eine gute Sache, aber nicht zu wissen, wie man diese Daten nutzt, stellt eine erhebliche Herausforderung dar. Es ist sehr schwierig für traditionelle Computer, mit den betrieblichen und verarbeitenden Anforderungen dieser Daten Schritt zu halten, die sowohl hochgenau als auch mit hoher Geschwindigkeit arbeiten müssen.

Hier könnte das Quantencomputing ins Spiel kommen. Komplexe KI- und maschinelle Lernprobleme könnten in Stunden statt in Jahren gelöst werden! Auch die Investitionen in diesem Bereich haben an Fahrt aufgenommen. Im Juni 2021 begannen von ETH Zürich geleitete Informatiker mit einer frühen Erforschung für zuverlässiges, quantencomputing-gesteuertes maschinelles Lernen.

Neueste Innovationen im Bereich des Quantencomputings

Der Bereich des Quantencomputings (sowohl Hardware als auch Software) hat in den letzten Jahren mehrere Investitionen gesehen. Unternehmen wie Google, IBM, D-Wave Systems haben ihre eigenen Versionen von Quantencomputern sowohl als Hardware als auch in der Cloud veröffentlicht, aber diese stehen noch unter strenger Überprüfung, um festzustellen, ob sie als echter „Quantencomputer“ bezeichnet werden können.

Unternehmen auf der ganzen Welt haben das erstaunliche Potenzial des Quantencomputings erkannt, und diese Anerkennung hat sich in einem signifikanten Anstieg der Investitionen manifestiert.

Einige der wichtigsten Investitionen im letzten Jahr sind unten aufgeführt:

Das Wachstum des Quanten-Cloud-Dienstes

Die Hardware zur Entwicklung von Quantencomputern ist eine Herausforderung, die ihre Kommerzialisierung in großem Maßstab verzögert. Die enormen Energieanforderungen sowie Design- und Entwicklungsprobleme, um sicherzustellen, dass Quantencomputer bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt stabil bleiben, sind komplex und teuer.

Um dies zu überwinden, suchen Anbieter von Quantencomputing nach der Cloud, um Quantencomputing einem größeren Publikum zugänglich zu machen. Einer der wichtigsten Trends, die wir im Bereich des Quantencomputings beobachten, ist das Interesse an Quanten-Cloud-Diensten.

Im Quanten-Cloud-Dienst, wie der Name schon sagt, können App-Entwickler und Wissenschaftler hybride Quantenanwendungen erstellen und praktische Auswirkungen beobachten. Die Software ermöglicht es der Person, Quanten-Dienste über eine Cloud-Computing-Plattform zu nutzen. D-Wave Systems, ein wichtiger Anbieter im Bereich des Quantencomputings, kündigte die Veröffentlichung von Leap 2 an, einem Quanten-Cloud-Dienst. Die Software ermöglicht es Benutzern, Probleme zu lösen, die bis zu 10.000 Variablen haben. Da sich Quanten-Cloud-Dienste derzeit hauptsächlich auf Entwickler konzentrieren, unterstützt sie eine vorgefertigte, einsatzbereite integrierte Entwicklungsumgebung (IDE) in der Cloud.

Das Zeitalter des Quantencomputings naht

Da immer mehr Unternehmen die möglichen Vorteile des Quantencomputings erkennen, sobald es in großem Maßstab kommerzialisiert wird, wachsen die Investitionen weiter. Die physischen Barrieren zu überwinden, ist die erste und größte Herausforderung, die vor den Forschern von Quantencomputern liegt. Mehrere Unternehmen wie IBM, Google, Microsoft und zahlreiche mittelgroße Unternehmen machen große Fortschritte im Bereich des Quantencomputings, um sicherzustellen, dass Quantencomputing in den nächsten zehn Jahren mehr Realität als Mythos ist.

Bearbeitet von Sinchana Mistry