Was Quantencomputer für Ihr Geschäftsmodell bedeuten

Großes verspricht sich die Welt vom Quantencomputer - allein der Name weckt ja schon Assoziationen zum redensartlichen Quantensprung. Aber was wird der Computer verändern, macht er herkömmliche PC-Hardware und Informatik-Infrastrukturen obsolet? Und was bedeutet er für die Interaktivbranche? Zunächst ist es hilfreich, erstmal grob zu begreifen, was so ein Quantencomputer tut und wie er funktioniert. Dann erschließt sich nämlich, was er kann. Und was eben nicht.

Quantencomputer haben jene abstruse Größe, die an die frühen Zeiten unserer Desktoprechner erinnert, als so eine Kiste eine ganze Etage füllte und IBM-Chef Thomas Watson noch dachte, "dass es einen Weltmarkt für vielleicht fünf Computer gibt." Lustigerweise sind die Quantencomputer nicht deshalb so groß, weil die eigentlichen Chips und Computerbestandteile so groß wären. Die Apparate drum herum, die Kühlaggregate, machen die eigentliche Größe aus, zumindest bei den aktuell weit fortgeschrittenen und häufig verwendeten qubit-basierten Modellen: "Es gibt noch andere Plattformen, etwa Neutralatomsysteme, photonische Systeme - doch bei der auf dem Prinzip der Supraleitung basierenden Quantenhardware herrscht beim Blick auf den eigentlichen Quantenchip eine große Ähnlichkeit zu herkömmlichen Computern: Platinen, Wege mit elektrischen Leitern", erklärt Daniel Scherer, Senior Scientist and Program Manager at Fraunhofer IIS   . "Knackpunkt hier: Die Elektronik muss auf Temperaturen um den absoluten Nullpunkt gebracht werden, dann werden bestimmte Schaltkreiselemente supraleitend, das ist ein intrinsisch quantenmechanischer Zustand, aus dem heraus dann das Qubit aufgebaut wird." Okay, der Reihe nach:

Da war doch irgendwas mit einer Katze...

Qubits sind das, was die Bits für den Computer sind, die kleinsten Infoeinheiten. Und hier liegt der eigentliche revolutionäre Unterschied zum klassischen Computer: Bits sind entweder im Zustand "Ein" oder "Aus" - mathematisch ausgedrückt wird das mit "1" oder "0" abgebildet, technisch wird es mit "leitet" und "leitet nicht" realisiert. Nun wird es verrückt oder besser gesagt, wenn man lange drüber nachdenkt, besteht die Gefahr, dass man es wird: Die Qubits im Quantencomputer können beides gleichzeitig, und alles dazwischen auf einmal verschränkt und überlagert sein. Dieser umgangssprachlich durchaus als 'abgefahren' zu bezeichnende Zustand wird gerne mit 'Schrödingers Katze'   beschrieben: In diesem Gedankenexperiment befindet sich eine Katze in einer Box, erst wenn man nachsieht, erfährt man, ob sie tot ist oder nicht. Bis dahin ist sie beides - erst die Messung (das Nachgucken) legt den Zustand fest. Genauso ist es in der Quantenphysik: Hier legt die Messung einen Zustand des Qubits fest, das bis dahin - scheinbar paradox - mehrere Zustände gleichzeitig einnimmt.

Sowas können Qubits aber nur auf Basis einer supraleitenden (und saukalten) Umgebung, also mittels eines Leiters, der praktisch keinen Widerstand hat und daher die Abbildung von Zuständen zwischen leitend/nichtleitend erlaubt.

Das ist hilfreich zu verstehen, weil man hier an die engen Begrenzungen des Quantencomputings stößt. Lange konnte man nur gute 50 Qubits erzeugen, irgendwann war man bei um die 440, aktuell hat der größte Quantencomputer in Kalifornien von Atom Computing etwas über 1.000. Verglichen mit einem klassischen Computer haut diese Menge dem durchschnittlichen Systemadministrator nicht gerade das Mittelalter-Magazin aus der Hand: Ein Kilobit - gähn, wir haben doch schon in Laptops Terabytes, also: So what?

Nun: Ein Qubit kann eben mehrere Zustände abbilden - damit kann man mit weniger (Q)Bits kraftvoller rechnen: Nämlich verschiedene Operationen gleichzeitig und überlagert. Bedeutet das also, dass ein Zeitalter von Computern mit lächerlich wenig Bits heraufzieht, die unfassbare Rechenoperationen vollziehen? Klares Jein.

Quantencomputer: Der langsame Turborechner

Nicht nur ist so ein Qubit schwer zu erzeugen (Kühlung, gell?). Es ist auch schwierig mit Infos zu beladen: "Unterm Strich rechnet ein Quantencomputer nicht schneller, sondern langsamer, da gerade das Laden großer Datenmengen in einen Quatencomputer aufwendig ist, das macht alle rechnerischen Vorteile zunichte.", sagt Professor Doktor Wolfgang Mauerer , Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg  . Mit anderen Worten: KI und Quantencomputer, diese Kombination kann man vergessen. Denn die enormen Datenmengen, die so eine KI verarbeitet, sind nichts für Quantencomputing. Bedeutet: Die wahrhaft respekteinflößenden Folgen, wenn Künstliche Intelligenz den Quantenturbo eingebaut bekäme - wir werden sie erst spät, vielleicht niemals erleben. Die beiden Dinge vertragen sich nicht. Doch ist die Quantenrevolution deswegen abgeblasen? Klares Nein diesmal.

"Geht man von Big Data weg und sieht sich an, was Little Data in Kombination mit dem 'Big Compute' eines Quantencomputers vermag, dann wird es spannend. Es ist prädestiniert für große Probleme mit einem geringen Datenaufwand", sagt Mauerer. Was aber wäre ein solches Problem? Ein Beispiel hat jeder schon einmal, wenn nicht unbedingt in der Hand, so doch zumindest vor Augen gehabt: Das Sudoku. "Schaue ich mir Sudoku als Problemfamilie an, dann lässt sich das kleinere Rätsel noch mit dem Stift lösen, eine größere Anordnung wird immer schwerer für Menschen", erklärt Scherer. "Gibt man es dann an einen klassischen Computer ab und entwickelt einen Problemlösungs-Algorithmus, ist der klassische Rechner erstmal die beste Lösung. Doch irgendwann kommt der Punkt, an dem das Sudoku so groß ist, dass der Quantencomputer es schneller lösen kann als der klassische Rechner."

Sudokus kann man als ein Optimierungsproblem begreifen - Optimierungen sind die Felder, auf denen Quantencomputer zu einem Heimspiel antreten. Als Partywissen kann man sich den Begriff vom Grover-Algorithmus einprägen, der gerne gemeinsam mit Quantencomputern antritt, um unsortierte Datenmengen zu strukturieren - etwa Zahlen in einem Rätsel. Mustererkennung, wie sie das Machine und Deep Learning betreiben, funktioniert dagegen eher mit den klassischen Rechnern, die schneller Daten aufnehmen.

Toll! Und wozu brauchen wir die Dinger jetzt?

Ein mögliches Anwendungsfeld für so eine Optimierung wäre beispielsweise eine logistische: die optimale Art, ein Containerschiff mit möglichst viel Fracht zu beladen. Allerdings stellt sich hier auch schon wieder die Sinnfrage, sagt Mauerer: "Im echten Leben ist es doch meist egal, ob man ein Schiff zu 98 oder 95 Prozent belädt. Optimale Lösungen zu finden ist sehr schwer - und da verschafft es kaum einen Vorteil, einen aufwändigen Quanten-Computer dranzusetzen."

Es gibt also Probleme, bei denen ein Quantencomputer (aktuell) nicht in Frage kommt (Machine Learning/KI), bei denen er zwar anwendbar ist, aber der Aufwand zu groß wäre (Containerschiff), dann wieder gibt es Dinge, die er hervorragend kann (kleine Datenmengen mit wahnsinnig vielen Kombinationsmöglichkeiten stemmen - Sudoku etwa) und dann gibt es die großen Fragezeichen, erklärt Mauerer: "Wir haben noch nicht vollständig verstanden, wo es Beschleunigungsmöglichkeiten gibt, ohne dass uns die Realität einen Strich durch die Rechnung macht."
Quantencomputer sind also eine Technologie auf der Suche nach der Killeranwendung. Wenn die auftaucht oder aber man Verfahren entwickelt, schneller und ohne so großen Aufwand Daten in Qubits zu speichern, kann sich eine Menge auf Feldern tun, die man bisher noch nicht für Quantencomputing in Betracht zieht. Zusätzlich gibt es ein paar Felder, auf denen man schon heute mit großer Sicherheit einen starken Einfluss erwarten kann.

Optimierungsprobleme

Hierunter fällt alles, wo man nach einem Minimum oder einem Maximum sucht: Werte und Anordnungen, die das Beste aus einer gegebenen Problemstellung herausholen, etwa das Beladen von Frachtraum mit Containern. Die Realität sieht aber hier oft noch so aus, dass sich die Frage stellt: Rechtfertigt der Vorteil den Aufwand?

Sicherheit

Sicherheit ist aktuell das heißeste Thema, weil es hier den größten Handlungsbedarf gibt. Dass es so etwas wie eine Post-Quanten-Kryptografie geben wird, erscheint weitgehend sicher: Können Qantencomputer erstmal den sogenannten Shor-Algorithmus ausführen und knacken, werden zahlreiche klassische Verschlüsselungsverfahren anfällig und neue erforderlich. Das kann bald passieren - man weiß es nicht genau, daher empfiehlt Dr. Jan-Rainer Lahmann, Mitglied des Quantencomputing-Teams von IBM   und Technomathematiker, heute Unternehmen schon eine Kryptoinventur anzugehen: "Sie müssen den Wert ihrer Daten kennen und wissen, wo es notwendig ist, dass Daten 'quantensicher' verschlüsselt werden. Die dafür benötigten quantensicheren Verschlüsselungsverfahren können bereits heute auf klassischen Rechnern ausgeführt werden. Die Umstellung ist in der Praxis allerdings oftmals ein langwieriger Prozess, das dauert schon mal Jahre." Das Gute daran ist: Man benötigt selbst keinen Quantencomputer, um seine Daten sicher gegen einen zu machen, die neuartigen Verschlüsselungsverfahren laufen auf herkömmlichen PCs.

Zusätzlich zur Datensicherheit kann Quantencomputing beim Schutz vor Überwachung helfen: "Wird eine Verbindung zwischen zwei Kommunizierenden abgehört, so ändert sich ihr quantenmechanischer Zustand", erklärt Bernd Hänsch-Rosenberger, Ingenieur für Nachrichtentechnik, der an der Dualen Hochschule Baden-Württemberg Stuttgart (DHBW) das Labor für Quantentechnologie mit aufgebaut hat: "Man kann den Angriff nicht abwehren oder die Verbindung sicher machen, aber feststellen, ob sie 'abgehört' wird oder nicht. Solche Technologie ist bereits am Markt verfügbar."

Naturwissenschaftliche Simulationen

Die Natur funktioniert quantenmechanisch, deswegen eignet sich die Technologie sehr gut zur Simulation von molekularen Verbindungen. Dies wird einen Einfluss auf Chemie haben, die Herstellung von Arzneien oder Verbundstoffen.

Die Wildcard - die Box mit dem großen Fragezeichen darauf

Im Quantencomputing hat man es mit so vielen Faktoren zu tun, dass sich kaum alle künftigen Anwendungsgebiete mit Sicherheit ausschließen oder vorhersagen lassen. Das macht die Prognostik schwer - und die konkreten Handlungsanweisungen für Unternehmen schwammig.

Die To-Dos: Sicher mit der unsicheren Zukunft umgehen

Was bleibt also zu tun, mit Blick auf die Zukunft der Technologie? Wer muss die weiteren Entwicklungen beobachten, die sich durchaus schlagartig vollziehen können?

• Große Konzerne vom Kaliber eines BMW oder Infineon, besonders wenn sie stark technologisch geprägt sind
  
• Quantencomputing wird umso relevanter in Zukunft, je mehr man von einem Hochleistungsrechenzentrum profitiert.
  
• Grundsätzlich ist der Handlungsbedarf jedoch schwer an Branchen oder Unternehmensgrößen festzumachen. Man sollte sich daher "mit dem eigenen Business aus der Perspektive des Quantencomputings auseinandersetzen, man sollte die Potenziale kennen und sich entsprechend an der Entwicklung beteiligen", empfiehlt Wolfgang Mauerer. Und genau dafür benötigt es eine besondere Art der Kompetenz, glaubt Professor Doktor Gerhard Hellstern von der Dualen Hochschule Baden-Württemberg Stuttgart (DHBW)  : "Beratung zu Quantencomputing muss man interdisziplinär einholen, es gibt nicht DAS Experten-Profil, man ist stark abhängig von der Fragestellung." Bei einer physikalischen Problematik sei beispielsweise ein Physiker geeignet. Geht es um Software und Daten, ist ein Informatiker besser, bei experimentellen Fragen besser ein Ingenieur. "Behauptet jemand, DER Experte oder DIE Expertin für das Thema generell zu sein, dann ist das gelogen. Besser man hat diverse, interdisziplinäre Teams, die verschiedene Aspekte abdecken können."

Ja, was denn nun? Die Quantenzukunft kurz und knapp

Quantencomputing nimmt also in seinem Einfluss auf die Zukunft ironischerweise einen Quantenzustand ein: Es kann revolutionär sein oder auch nicht, vielleicht nur auf manchen Gebieten, vielleicht alles zugleich - man stellt es erst fest, wenn man es messen kann - und das wird sein, wenn es soweit ist. Wolfgang Mauerer ist sich "nicht sicher, ob man davon ausgehen kann, dass wir jemals einen Zustand von funktionalem, alltagstauglichem Quantencomputing erreichen." Professorin Doktor Carmen Winter von der DHBW Stuttgart denkt indes daran, "dass man einst den zukünftigen Bedarf an Computern massiv unterschätzt hatte. Die IT-Geschichte scheint sich zu wiederholen - an manchen Stellen ist es sehr konkret, was kommen wird, an anderen erscheint uns die Technologie dagegen nahezu mystisch. So oder so werden sich Studierende vieler Studienrichtungen, insbesondere in der Informatik, damit auseinandersetzen müssen, was kommen könnte. Dafür haben wir unter anderem unser Labor für Quantentechnologie an der DHBW."

Was bleibt also an Erkenntnissen, außer dass man die Augen offenhalten sollte, ob Quantencomputing eventuell das eigene Business betrifft? Vor allem eines: Die Folgenabschätzung neuer Technologien wird immer komplizierter. Man benötigt als Unternehmen daher Teams mit einer diversen und fachlich interdisziplinären Zusammensetzung, denn so steigt die Wahrscheinlichkeit, dass einem bedeutende Entwicklungen nicht vom Radar entwischen.