KI, die Kreative Intelligenz jetzt in der neuesten Folge SMART&nerdy! Podcastfolge #23.
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[vc_row][vc_column][vc_custom_heading text=“Die Vereinigung von Physik und Information“ font_container=“tag:h1|font_size:48|text_align:left“ use_theme_fonts=“yes“ css=“.vc_custom_1598528024629{margin-top: -25px !important;}“][vc_custom_heading text=“Quantum Computing Einführung“ font_container=“tag:h2|font_size:28|text_align:left|color:%23676b6d“ use_theme_fonts=“yes“ css=“.vc_custom_1598528038094{padding-bottom: 10px !important;}“][vc_column_text]Heike Riel, IBM Research[/vc_column_text][ultimate_spacer height=“15″ height_on_tabs=“15″ height_on_tabs_portrait=“15″ height_on_mob_landscape=“15″ height_on_mob=“15″][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_custom_heading text=“Kurz & Bündig“ font_container=“tag:h2|font_size:34|text_align:left“ use_theme_fonts=“yes“ css=“.vc_custom_1598268967432{margin-top: -25px !important;}“ el_class=“box-headline“][vc_row_inner el_class=“box-content-wrapper“][vc_column_inner][vc_column_text]
Quantencomputer eigenen sich zur Lösung von Problemen, die selbst die leistungsfähigsten klassischen Computer wohl auch in Zukunft nicht werden lösen können. Analysten zufolge, wird Quantencomputing bis 2024 einen Markt von fünf Milliarden Dollar erreichen. Eingesetzt werden Quantencomputer in der Elektromobilität für die Entwicklung der nächsten Generation von Lithium-Schwefel-Batterien (Li-S), die leistungsfähiger, langlebiger und billiger als die heute weit verbreiteten Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge sein werden. Die enorme Rechenleistung von Quantencomputern hat auch das Potenzial, exponentielle Fortschritte beim Thema künstliche Intelligenz freizusetzen.
[/vc_column_text][/vc_column_inner][/vc_row_inner][/vc_column][/vc_row][vc_row css=“.vc_custom_1519752670572{margin-top: -10px !important;}“][vc_column][ultimate_spacer height=“30″ height_on_tabs=“15″ height_on_tabs_portrait=“15″ height_on_mob_landscape=“15″ height_on_mob=“15″][vc_column_text]
Kommt das Ende von Eins und Null in der IT? Die Simulation selbst einer relativ einfachen Verbindung wie Koffein würde ein klassisches IT-System mit so vielen Bits erfordern, wie es Atome in der Milchstraße gibt. Im Gegensatz zu Bits, können Qubits aus dem Quantencomputing mehrere Zustände gleichzeitig annehmen. Dadurch wird es in nicht allzu ferner Zukunft möglich sein, exponentielle Informationsmengen zu verarbeiten und Innovationen ermöglichen. In den letzten zwei Jahren wurden weltweit etwa 100 Startups im Bereich Quantum Computing gegründet. Der erste IBM-Quantencomputer für kommerzielle Anwendungen wird jetzt in Europa aufgebaut.
[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_column_text]Unsere Laptops, Mobiltelefone und Internetanwendungen basieren auf dem seit Jahrzehnten bekannten Rechenkonzept von Nullen und Einsen – kurz, auf Bits. Diese auf Claude Shannons Informationstheorie zurückreichende Idee hat gemeinsam mit dem Moore‘schen Gesetz die Digitalisierung unserer Welt so vorangetrieben, wie sie heute bekannt und erlebt wird.
Aber Innovation bleibt nie in erfolgreichen Konzepten verhaftet, sondern bringt ständig neue Ideen hervor: Neben der Künstlichen Intelligenz hat ein weiteres, andersartiges Forschungsfeld viel Aufmerksamkeit auch und gerade in der IT-Branche erfahren: Die Quanteninformationstheorie. Sie führte zur Entwicklung des Quantenbits, kurz Qubits, und damit zur Grundlage der aktuellen Quantencomputer.
Diese Fortschritte insbesondere im vergangenen Jahrzehnt haben dazu geführt, dass IBM die ersten 18 programmierbaren Quantencomputer außerhalb von Forschungslaboren bereits ans Netz gebracht hat und deren Rechenleistung über die Cloud mehr als 200.000 Interessenten, Kunden und Partnern zur Verfügung stellt. Obwohl die Technologie noch in den Kinderschuhen steckt, zeigen bereits diese Systeme und das vielfältige Interesse der Nutzer das Potenzial von Quantencomputern zur Lösung von Problemen, die selbst die leistungsfähigsten klassischen Computer wohl auch in Zukunft nicht werden lösen können. Um weitere wissenschaftliche Fortschritte auf diesem Gebiet zu erzielen, kommerzielle Anwendungen zu entwickeln und Fachleute in Wirtschaft und Wissen-schaft auszubilden, arbeitet IBM weltweit mit mehr als 100 Unternehmen und akademischen Institutionen im IBMQ Network zusammen. In Deutschland gehören dazu aktuell die Fraunhofer-Gesellschaft, die Universität des Saarlandes, die Bundeswehr-Universität München sowie Daimler.
Die Zusammenarbeit mit der Fraunhofer-Gesellschaft ermöglicht beispielsweise anderen Unternehmen und Forschungseinrichtungen den Zugang zu IBM-Quantencomputern in Deutschland und den USA unter dem Dach eines bundesweiten Kompetenznetzwerks. Im Rahmen der Kooperation wird dazu unter anderem ein Quantencomputer in unserem Rechenzentrum in Ehningen bei Stuttgart installiert. Das System soll Anfang 2021 in Betrieb gehen und wird das erste seiner Art in Europa sein.[/vc_column_text][vc_custom_heading text=“Jenseits der klassischen Systeme“ font_container=“tag:h3|font_size:28|text_align:left“][vc_column_text]Für die IBM-Quantensysteme werden die Qubits in einem Kryostaten beinah auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt und anschließend mit Mikrowellenimpulsen manipuliert. Damit werden sie zu Zuständen der so genannten quantenmechanischen Überlagerung, Verschränkung und Interferenz stimuliert, wie sie in der Quantenmechanik beschrieben werden. Im Gegensatz zu Bits, die entweder als Eins oder Null repräsentiert sind, können Qubits mehrere Zustände gleichzeitig annehmen. Dadurch wird es in nicht allzu ferner Zukunft möglich sein, exponentielle Informationsmengen zu verarbeiten.
Quantensysteme mit ein paar Qubits können heute nur etwa so viel Information verarbeiten wie ein klassischer 512-Bit-Computer. Da sich die Leistungsfähigkeit eines solchen Systems aber unter anderem durch das Hinzufügen von Qubits im Idealfall exponentiell erhöht, verschiebt sich das Kräfteverhältnis sehr schnell zu Ungunsten klassischer Computer. Bei perfekter Stabilität könnten Quantenrechner mit 300 Qubits in der Lage sein, mehr Datenwerte zu repräsentieren als es Atome im beobachtbaren Universum gibt. Das geht weit über die Fähigkeiten einer beliebigen bit-basierten IT-Architektur hinaus und eröffnet Möglichkeiten für die Lösung und Darstellung hochkomplexer Probleme und Simulationen.
Die Entwicklung solcher Systeme ist heutzutage noch recht aufwändig. Aber die Fortschritte insbesondere in den letzten fünf Jahren rechtfertigen unseren Optimismus hinsichtlich eines breiten Einsatzes von Quantentechnologien: Unser Team hat allein in den letzten drei Jahren das Quantenvolumen – ein Leistungsindikator der die Anzahl der Qubits und auch die sogenannte Fehlerrate des Systems berücksichtigt – jedes Jahr verdoppelt. Aktuell steht man bei einem Quantenvolumen von 32. Allein diese Erfolge kann man als frühes Anzeichen für das Quantenäquivalent des Moore’schen Gesetzes sehen. IBM bezeichnet diesen Trend informell als „Gambetta’s Gesetz“ – benannt nach dem IBM Fellow und Leiter des Quantum-Teams bei IBM Research, Jay Gambetta. Es ist davon auszugehen, dass sich dieses Tempo bis zu einem Punkt fortsetzt, an dem es in weniger als einem Jahrzehnt möglich sein wird, Probleme anzugehen, die mit heutiger IT nicht lösbar sind.
Neben dem Quantenvolumen gewinnen auch sogenannte Quantenschaltkreise als Messgröße für die Leistungsfähigkeit eines Systems an Bedeutung. Sie bilden die grundlegende Arbeitseinheit für einen Quantencomputer. In Zu-kunft werden Bibliotheken von Quantenschaltkreisen für Programmierer in weit verbreiteten Programmiersprachen wie C++, python oder Java zur Verfügung stehen und optimal auf die Systeme abgestimmt sein. Während der IBM Quantum Challenge 2020 wurden über drei Tage mehr als eine Milliarde Quantenschaltkreise pro Tag von unseren Systemen verarbeitet.[/vc_column_text][vc_custom_heading text=“Mögliche Anwendungen“ font_container=“tag:h3|font_size:28|text_align:left“][vc_column_text]
Die enorme Rechenleistung von Quantencomputern hat das Potenzial, exponentielle Fort-schritte beim Thema Künstliche Intelligenz freizusetzen. Künstliche Intelligenz (KI)- Systeme arbeiten umso genauer, je größer die Datenmengen sind, die von den Algorithmen des maschinellen Lernens, die sie trainieren, klassifiziert und analysiert werden können. Je präziser diese Daten nach bestimmten Charakteristika oder Merkmalen eingeordnet werden können, desto präzisere Ergebnisse werden im Anschluss durch die KI geliefert.
Beim maschinellen Lernen sind vor allem sogenannte Merkmalsräume interessant – mathematische Räume, die ein Objekt durch seine Messwerte in Bezug auf dessen besondere Eigenschaften bestimmen. Quantensysteme bieten alternative Wege, um einen solchen Raum zu betrachten.
Das Team IBM Research erforscht auch, sondern auch grundlegend neue Entdeckungen möglich sein. Hier ein Beispiel aus der Chemie: Die Simulation selbst einer relativ einfachen Verbindung wie Koffein würde ein klassisches IT-System mit so vielen Bits erfordern, wie es Atome in der Milchstraße gibt.
IBM hat eine Methode entwickelt, bei der Quantensysteme so eingesetzt werden können, dass dort rechnerisch schwierige Aufgaben ablaufen, während die anderen Teile einer Simulation weiterhin auf klassische Rechner ausgelagert und verarbeitet werden.
So kann beispielsweise heute schon das Verhalten von kleinen Molekülen wie Lithiumhydrid simuliert werden. Wenn eines Tages Hunderte oder gar Tausende von Qubits zusammenarbeiten, um Informationen zu verarbeiten, könnten diese Maschinen alle möglichen natürlichen Systeme simulieren, die heute bestenfalls annähernd bekannt sind. Man könnte sofort wissen, wie sich ein bestimmtes Medikament auf unseren Körper auswirkt. Es könnten effizientere Batterien gebaut werden, um ein nachhaltigeres Energienetz zu schaffen oder bessere Düngemittel, um die weltweite Nahrungsmittelversorgung zu verbessern.
Quantensysteme könnten auch eingesetzt werden, um extrem effiziente Logistikabläufe zu schaffen, Finanzportfolios dynamisch zu optimieren oder die Materialforschung voranzutreiben.
[/vc_column_text][vc_custom_heading text=“Gemeinsam Nutzen schaffen“ font_container=“tag:h3|font_size:28|text_align:left“][vc_column_text]Ein wichtiger Teil des Weges hin zu einer Zu-kunft mit Quantenrechnern ist der Auf bau ei-ner entsprechenden Community. Es muss ein kollektives Gespür und Wissen dafür entwickelt werden, was Quantencomputing bedeutet und was es kann. Hier kommt die IBM Quantum Experience ins Spiel: Sie ermöglicht Akademikern, Programmierern und interessierten Enthusiasten einen echten, Cloudbasierten Quantencomputer mit Hilfe von Algorithmen zu nutzen und Erfahrungen zu sammeln.
Denn: Ein klassischer, analytischer Algorithmus ist so etwas wie ein Rezept. Er folgt einer Reihe von Schritten, und am Ende liefert er ein Ergebnis. Ein Quantenalgorithmus ist anders: Hier arbeitet man mit probabilistischen Algorithmen, die keine eindeutigen Ergebnisse, son-dern Wahrscheinlichkeiten für bestimmte Ergebnisse liefern.
Hunderttausend Interessierte haben in den letzten Jahren bereits die IBM Quantum Experience genutzt. Mehr als 200 wissenschaftliche Arbeiten wurden infolgedessen veröffentlicht. Kurz: Die wissenschaftliche Gemeinde zum Thema wächst. Und wo die Wissenschaft vorangeht, folgen oft auch Unternehmen: In den letzten zwei Jahren wurden weltweit etwa 100 Startups im Bereich Quantum Computing gegründet. Eine Analyse der Boston Consulting Group sagt voraus, dass Quantencomputing bis 2024 einen Markt von fünf Milliarden Dollar, bis 2029 von 50 Milliarden Dollar und ein Jahr-zehnt später von 450 Milliarden Dollar repräsentieren wird.
Das Unternehmen hat unter anderem des-halb den Bereich IBM Quantum aufgebaut, der sich darauf konzentriert, wissenschaftliche und kommerzielle Anwendungen von vielen globalen Unternehmen wie JPMorgan Chase und Daimler auf diesem Gebiet zu unterstützen. Der deutsche Autobauer nutzte einen Quantencomputer, um beispielhaft das Dipolmoment von drei Lithiumhaltigen Molekülen zu modellieren. Das kann uns einen Schritt näher an die nächste Generation von Lithium-Schwefel-Batterien (Li-S) bringen, die leistungsfähiger, langlebiger und billiger als die heute weit verbreiteten Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge sein werden. Viele unserer Kooperationspartner im oben erwähnten IBM Q-Netzwerk nutzen die Möglichkeit, mit unseren Forschern zusammenzuarbeiten, um potenzielle Anwendungen für die Technologie auszuloten und mit Hilfe von Qiskit, einer modularen Open-Source-Programmierumgebung auf unsere Quantensysteme zuzugreifen.[/vc_column_text][vc_custom_heading text=“Zusammenfassung“ font_container=“tag:h3|font_size:28|text_align:left“][vc_column_text]Klassisches, bit-basiertes Computing hat unsere Welt in den letzten 50 Jahren vollständig verändert. Wir sind überzeugt, dass Quantencomputing Möglichkeiten eröffnen wird, die weit darüber hinaus gehen. Wir haben noch einen weiten Weg vor uns. Aber die theoretische Untermauerung und das Fundament der Technologie sind sehr solide. Die Herausforderung besteht jetzt darin, die Leistungsfähigkeit unserer Systeme weiter auszubauen, zu lernen, sie effizient zu programmieren und sie zur Lösung der dringlichsten Herausforderungen in Wissenschaft, Wirt-schaft und Gesellschaft einzusetzen.[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][ult_dualbutton btn_hover_style=“Style 2″ btn_border_style=“solid“ btn_color_border=“#ffffff“ btn_border_size=“2″ btn_alignment=“left“ dual_resp=“off“ button1_text=“Einzelheft kaufen“ icon_link=“url:https%3A%2F%2Fwww.aws-institut.de%2Fim-io%2Fproduct%2Fquantified-everything%2F|title:Quantified%20Everything||“ btn1_background_color=“#f3f3f3″ btn1_bghovercolor=“#f07d00″ icon=“Defaults-book“ icon_size=“22″ icon_color=“#f07d00″ icon_hover_color=“#ffffff“ button2_text=“Jetzt abonnieren“ btn_icon_link=“url:https%3A%2F%2Fwww.aws-institut.de%2Fim-io%2Fabo%2F|title:Abo||“ btn2_background_color=“#f3f3f3″ btn2_bghovercolor=“#f07d00″ btn_icon=“Defaults-chevron-right“ btn_icon_size=“22″ btn_icon_color=“#f07d00″ btn_iconhover_color=“#ffffff“ divider_text=“oder“ divider_text_color=“#f07d00″ divider_bg_color=“#ffffff“ btn1_text_color=“#f07d00″ btn1_text_hovercolor=“#ffffff“ btn2_text_color=“#f07d00″ btn2_text_hovercolor=“#ffffff“ title_font_size=“desktop:20px;“ btn_border_radius=“30″ title_line_ht=“desktop:22px;“ btn_width=“280″][/vc_column][/vc_row]
