Google und Intel in Front

Quantenrechner: Wettlauf der Giganten

Beim Wettlauf der großen Tech-Giganten um Marktanteile beim Quantencomputing sieht Dr. Enrico Thomae von Operational Services derzeit Google und Intel ganz weit vorne.

Dr. Enrico Thomae, Operational Services

Dr. Enrico Thomae ist Mathematiker und Kryptanalyst Post-Quantum Research bei Operational Services, einem Joint Venture von Fraport AG und T-Systems International.

IT-DIRECTOR: Herr Thomae, was unterscheidet das Quantencomputing von bisherigen Rechenoperationen?
E. Thomae:
Quantencomputer nutzen Überlagerungszustände zum Rechnen, womit massiv parallele Operationen ausgeführt werden können. Die Rechenleistung misst sich daher nicht in der Taktfrequenz (MHz) wie bei klassischen Computern, sondern in der Anzahl der Quantenbits (Qubits). Dabei sind 56 Qubits leistungsstärker als alle klassischen Supercomputer unseres Planeten zusammen. Diese Schranke definiert die Quantenüberlegenheit.

IT-DIRECTOR: Was unterscheidet die für das Quantencomputing nötigen Rechner von herkömmlichen Servern etwa hinsichtlich der Prozessoren, Kühlung oder Energieeffizienz?
E. Thomae:
Quantenbits nutzen sehr kleine Teilchen (z. B. Photonen, Ionen) damit Quanteneffekte zum Tragen kommen. Diese Teilchen sind sehr störanfällig (sogenannte Dekohärenz). Um Umwelteinflüsse zu mindern werden viele Quantencomputer nahe des absoluten Nullpunktes (−273 Grad Celsius) betrieben. Hierfür ist eine starke Kühlung notwendig.

IT-DIRECTOR: Wann werden Quantencomputer Ihrer Ansicht nach flächendeckend genutzt werden können?
E. Thomae:
Den Heim-Quantencomputer wird es in absehbarer Zeit nicht geben. Die flächendeckende Nutzung wird durch Cloud-Anwendungen erfolgen, wie sie etwa IBM anbietet. Mit dem Nachweis der Quantenüberlegenheit werden diese Anwendungen ein Geschäftsmodell erhalten. Dies ist eine Frage von wenigen Jahren. Mit etwas Zuversicht sehen wir diese Entwicklung noch in diesem Jahr!

IT-DIRECTOR: Google hat Anfang März 2018 den 72 Quantenbit starken Prozessor „Bristlecone“ vorgestellt und bereits vor knapp einem Jahr wartete Atos mit einem Maschinensystem auf, welches 40 Quantenbit simulieren kann. Wer wird Ihrer Einschätzung nach den Markt für Quantencomputing in den nächsten Jahren dominieren? Welche Rollen spielen dabei die Hersteller von Prozessoren und Servern?
E. Thomae:
Aktuell findet ein Wettlauf der großen Tech-Giganten um den praktischen Nachweis der Quantenüberlegenheit statt. Google (72 Qubit) und Intel (49 Qubit) sind derzeit in Front, werden aber gefolgt von Microsoft, IBM, Alibaba und weiteren Forscherteams. Atos spielt hier keine Rolle, denn die Simulation von Qubits auf klassischen Supercomputern zeigt nur die Grenzen dieser Computer (hier 40 Qubit).

IT-DIRECTOR: Marktforscher wie Crisp Research mokieren die noch immer hohe Fehlerrate der neuen Computerklasse. Was ist dran an dieser Einschätzung? Und mit welchen weiteren „Kinderkrankheiten“ haben Quantenrechner noch zu kämpfen?
E. Thomae:
Die Fehlerrate im Sinne von Dekohärenz ist eine der wesentlichen Herausforderungen neben der Skalierbarkeit. An beiden Themen wird seit dem ersten Quantencomputer im Jahr 1998 kräftig geforscht. In den letzten Jahren haben wir hier große Erfolge in neuen Materialien gesehen. Ob wir tatsächlich noch von einem Problem sprechen können, werden wir daran ablesen können, wie viel Zeit Google benötigt, um auf dem 72-Qubit-Computer den ersten Algorithmus laufen zu lassen.

IT-DIRECTOR: Welche prädestinierten Einsatzgebiete gibt es aktuell oder in naher Zukunft für Quantenrechner?
E. Thomae:
Die Quantenüberlegenheit wird an Suchproblemen oder Simulationen von Molekülen oder Materialen demonstriert werden. Völlig neue Materialeigenschaften und Legierungen können hiermit zielgerichtet gesucht oder neue Medikamente entwickelt werden. Auch werden Quantencomputer die Künstliche Intelligenz auf ein neues Niveau heben. Und natürlich werden Quantencomputer unsere heute IT-Security-Infrastruktur einmal auf den Kopf stellen. Unsere heutigen Algorithmen sind mit einem Ablaufdatum versehen, das je nach Anwendungsfall durchaus auch schon abgelaufen sein kann.

IT-DIRECTOR: Quantencomputer könnten heutige asymmetrische Verschlüsselungsalgorithmen wie etwa RSA knacken. Inwieweit wird parallel zum Quantencomputing bereits an darauf basierenden Schutzmaßnahmen (vgl. Quantenkryptographie) geforscht?
E. Thomae:
Mit Post-Quantum- und Quantenkryptographie stehen zwei Schutzmaßnahmen zur Verfügung. Quantenkryptographie nutzt Quanteneffekte, benötigt eigene Hardware und wird daher nur für Spezialanwendungen sinnvoll einsetzbar sein. Post-Quantum-Verfahren funktionieren auf normalen Computern und bieten eine Alternative zu RSA. Die erste Konferenz zu Post-Quantum Kryptographie fand 2006 und seither regelmäßig statt. Deutsche Universitäten sind hier führend vertreten und auch das BSI ist der Meinung, dass „der Einsatz quantencomputerresistenter Verfahren früher oder später für die meisten kryptographischen Anwendungen zum Standard werden wird“. Da diese Standards eher später als früher zu erwarten sind (NIST – 2024) setzen sich sowohl die Operational Services GmbH als auch die Telekom Security mit Rat und Tat dafür ein, Unternehmen auch heute schon zu schützen.

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