Marktprognose

Wann starten Quantenrechner durch?

Die Fachwelt streitet leidenschaftlich darüber, wann Quantencomputer in großem Maße verfügbar sein werden. Die Mehrzahl der Experten rechnet mit fünf bis zehn Jahren, Skeptiker halten 15 Jahren für realistisch, betont Philippe Duluc, CTO bei Atos.

Philippe Duluc, Atos

Philippe Duluc, CTO Big Data und Security bei Atos

IT-DIRECTOR: Herr Duluc, was unterscheidet das Quantencomputing von bisherigen Rechenoperationen?
P. Duluc:
Quantencomputer rechnen die vielen möglichen Lösungswege einer variantenreichen mathematischen Aufgabe parallel durch und kommen so in Sekunden oder Millisekunden zu einem Ergebnis – ein Vielfaches schneller als klassische Superrechner. Der Schnelligkeitsvorteil beruht hauptsächlich auf zwei Quanteneffekten. Der erste nennt sich Superposition, wonach Quantenbits neben ‚Null‘ und ‚Eins‘ beliebige viele Zustände dazwischen einnehmen. Der zweite Effekt beschreibt die Verschränkung von Quantenbits in einem Register. Durch dieses quantenmechanische Prinzip überlagern sich Zustände von Quantenbits, wobei sich die Zustandsänderungen mit speziellen Quantenalgorithmen messen und in Form von Binärcode als Rechenergebnis auslesen lassen.
 
IT-DIRECTOR: Was unterscheidet die für das Quantencomputing nötigen Rechner von herkömmlichen Modellen, etwa hinsichtlich der Prozessoren, Kühlung oder Energieeffizienz?
P. Duluc:
Unternehmen wie Google und Intel setzen darauf, Quantenbits in supraleitenden Mikrochips zu speichern. Diese Methode erfordert aufwendige Technik, um die supraleitendenden Materialien auf -273 °C zu kühlen. Der Energieverbrauch fällt entsprechend hoch aus. Hinzu kommt eine umfangreiche Ausstattung zum Erschütterungsschutz, weshalb sich die Investitionssumme für die Hardware insgesamt auf einen zweistelligen Millionenbetrag beläuft. Als kostengünstige Alternativen kommen Cloud-Plattformen und Quantensimulatoren in Frage. Zudem arbeiten vor allem Forschungseinrichtungen an Technologieansätzen, die optische Quantenbits, Ionen-Fallen und Mikrowellenimpulse nutzen und so ohne die aufwendige Supraleitungstechnik auskommen.

IT-DIRECTOR: Wann werden Quantencomputer Ihrer Ansicht nach flächendeckend genutzt werden können?
P. Duluc:
Die Fachwelt streitet leidenschaftlich darüber, wann Quantencomputer in großem Maße verfügbar sein werden. Die Mehrzahl der Experten rechnet mit fünf bis zehn Jahren, Skeptiker halten 15 Jahren für realistisch. Weit optimistischer ist der russisch-französische Physiker Alexey Kavokin von der Universität Southampton, der einen Simulator mit mehr als 100 Knoten bereits in vier Jahren im Einsatz sieht. 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.
 
IT-DIRECTOR: Wer wird Ihrer Einschätzung nach den Markt für Quantencomputing in den nächsten Jahren dominieren? Welche Rollen spielen dabei die Hersteller von Prozessoren und Servern?
P. Duluc:
Wie schwierig es ist, eine zuverlässige Marktprognose abzugeben, veranschaulichen zwei Zahlen: So erwartet das amerikanische Marktforschungsinstitut Technavio für 2021 einen weltweiten Umsatz mit Quantenrechnern von 300 Millionen US-Dollar, wohingegen ihre Kollegen vom amerikanische Beratungshaus Persistence Market Research 23 Milliarden US-Dollar für 2025 vorhersagen. Fakt ist: Google, die Hard- oder Software-Konzerne IBM, D-Wave Systems, Intel, Microsoft und Toshiba sowie IT-Dienstleister wie ID Quantique und wir von Atos treiben die Entwicklungen in der Quantentechnologie auf verschiedenen Gebieten voran. Allerdings geht es nicht nur um neue Quantenprozessoren – im Fokus stehen auch Algorithmen, Programmiertechniken und Entwicklungs-Tools für Quantenrechner.
 
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?
P. Duluc:
Abhängig davon, ob Quantenrechner auf Supraleitern oder Ionenfallen basieren, variiert die Fehlerart und -quote. Supraleitende Quantenbits ändern plötzlich und unkontrolliert ihre Zustände und verursachen dadurch Fehler. Klassische Fehlerkorrekturverfahren greifen jedoch nicht, weil ein dafür nötiges Kopieren von Zwischenergebnissen die Originaldaten zerstören würde. Google-Forscher arbeiten nach eigenen Angaben daran, bei einem 9-Quantenbit-Prozessor mit aufwendigen Fehler-Korrektur-Mechanismen die Fehlerquote unter 0,5 Prozent zu drücken. Der technologische Gegenentwurf ist Noisy Intermediate-Scale Quantum, kurz NISQ, ein Ansatz der auf komplexe Fehlerkorrekturverfahren verzichtet. Ein NISQ-Quantencomputer hat einen einfacheren Systemaufbau, arbeitet aber wegen der höheren Fehleranfälligkeit, auch Rauschen genannt, weniger präzise. Dieses Rauschen lässt sich unserer Ansicht nach aber zumindest teilweise mit speziellen Quantenalgorithmen kompensieren.

IT-DIRECTOR: Welche prädestinierten Einsatzgebiete gibt es aktuell oder in naher Zukunft für Quantenrechner?
P. Duluc:
Berechnungen, die viele Variablen aufweisen und einen hohen Rechenaufwand erfordern, sind genau das Richtige für Quantenrechner. Ihr Potential ist riesig, wie erfolgreiche Simulationen von Verkehrsströmen, Finanztransaktionen oder dem Falten von Proteinen zeigen. Quantenrechner eignen sich auch dazu, Versorgungsnetze in der Strom und Wasserversorgung, Bildanalyse und Objekterkennung sowie die Datenverarbeitung in IoT-Umgebungen zu optimieren. Wichtig ist jedoch auch, mit Quantenrechnern und Simulationsplattformen Algorithmen zu entwickeln, die zu neuen Anwendungen für Big Data, Künstliche Intelligenz und in der IT-Sicherheit führen.
 
IT-DIRECTOR: Quantencomputer könnten heutige asymmetrische Verschlüsselungsalgorithmen wie etwa RSA knacken. Inwieweit wird parallel zum Quantencomputing bereits an darauf basierenden Schutzmaßnahmen (vgl. Quantenkryptographie) geforscht?
P. Duluc:
Es ist richtig, dass Quantenrechner in der Lage sein werden, den RSA-Algorithmus zu knacken – auf dieses Angriffsszenario müssen wir uns vorbereiten. Kryptographen entwickeln bereits neue asymmetrische Algorithmen, die Angriffen von Quantencomputern standhalten. Die in der Fachwelt als Post-Quantenalgorithmen oder quantensichere Algorithmen bezeichneten Standards werden in vier bis fünf Jahren einsatzfähig sein. Neben dieser klassischen Sicherheitsverfahren gibt es jedoch noch einen völlig neuen Ansatz: Quantum Key Distribution verspricht einen ultrasicheren Austausch von Schlüsseln bei symmetrischen Verschlüsselungsverfahren. Hier werden die Schlüssel über Lichtwellenleiter in Form von Photonen übermittelt. Andere Techniken nutzen für den Schlüsselaustausch verschränkte Zustände von Lichtteilchen. Ein Abhören der Verbindung würde die übermittelten Informationen verändern – und deshalb sofort auffliegen.

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