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Machine Learning: Neue Studie zeigt, was Quantencomputer können

| Redakteur: Katharina Juschkat

Quantencomputer sind um ein Vielfaches schneller als gewöhnliche Computer – aber welche Anwendungen sind damit möglich? Eine Studie der Fraunhofer-Allianz Big Data AI gibt Antworten.

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Gemeinsam mit IBM wird Fraunhofer 2021 einen Quantencomputer in Deutschland in Betrieb nehmen.
Gemeinsam mit IBM wird Fraunhofer 2021 einen Quantencomputer in Deutschland in Betrieb nehmen.
(Bild: IBM)

Quantencomputer sind keine bloße Theorie mehr, sondern bereits in der Erforschung und Entwicklung. Im nächsten Jahr etwa will die Fraunhofer Gesellschaft zusammen mit IBM einen eigenen Quantencomputer in Betrieb nehmen.

Welche konkreten Vorteile diese Computer der Zukunft haben, wie sie das maschinelle Lernen verändern und was das für Industrie und Gesellschaft bedeuten kann, das hat die Fraunhofer-Allianz Big Data und Künstliche Intelligenz jetzt in einer Studie untersucht.

Wie funktioniert ein Quantencomputer?

Quantencomputer verarbeiten Informationen schneller, indem sie Quanteneffekte wie Superposition oder Verschränkung nutzen. Dadurch können sie prinzipiell schneller Ergebnisse liefern.

Während ein digitaler Computer mit Bits rechnet, arbeitet ein Quantencomputer mit Qubits, die im Gegensatz zu den klassischen Bits nicht nur genau einen von zwei möglichen Zuständen annehmen können, sondern auch eine beliebige Überlagerung beider.

Verfahren des Maschinellen Lernens lassen sich für Quantencomputer so anpassen, dass sie mehrere Lösungswege gleichzeitig beschreiten. Damit kann ein einzelner Quantencomputer schneller Lösungen finden als viele klassische Computer in einem Cluster, wie etwa einer Cloud. Anhand ausgewählter Beispiele zeigt die Studie, wie Quantenalgorithmen für das Durchsuchen großer Datenbanken, das Lösen komplexer Gleichungssysteme oder kombinatorischer Optimierungsprobleme genutzt werden können.

In der Studie werden zunächst grundlegende Konzepte und Technologien des Quantencomputings vorgestellt. Zudem geht es um Techniken für die Implementierung der Hardware, wie photonische Quantencomputer, Ionenfallen oder die bisher am weitesten verbreitete Technologie der supraleitenden Schaltungen.

Welche Anwendungspotentiale haben Quantencomputer?

Bisherige Computer können molekulare Reaktionen im Körper nur unvollständig simulieren, da die Biologie so komplex ist. Solche quantenmechanische Systeme könnten Quantencomputer zukünftig wesentlich effizienter simulieren – was für die chemische Industrie neue Produktionsverfahren eröffnen würde. Pharmaunternehmen könnten zudem ihre Medikamentenentwicklung beschleunigen und Ingenieurwissenschaften von einer gezielten Materialentwicklung profitieren.

Eine Übersicht über Fähigkeiten, Anwendungen und Branchen des Quantencomputings
Eine Übersicht über Fähigkeiten, Anwendungen und Branchen des Quantencomputings
(Bild: Fraunhofer IAIS)

Großes Wertschöpfungspotenzial liegt auch in der Lösung von Optimierungsproblemen mithilfe von Quantencomputern. Diese stellen sich beispielsweise in der Logistik, wenn es darum geht, Ressourcen optimal einzusetzen. Zudem gibt es schon heute Quantenalgorithmen, die große Auswirkungen auf die Kryptographie und sichere, verschlüsselte Kommunikation haben können.

Quantencomputer für die Industrie

Ab 2021 nimmt Fraunhofer zusammen mit IBM einen eigenen Quantencomputer in Betrieb. Mit dem „IBM Q System One“ wollen die Forscher insbesondere konkrete Anwendungsszenarien für den zukünftigen Einsatz der Technologie in der Industrie entwickeln. Ziel der Initiative ist es, Unternehmen schon früh die Chancen und Möglichkeiten aufzuzeigen, die durch die Schlüsseltechnologie in den nächsten Jahren entstehen wird.

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