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Quantencomputer werden um Größenordnungen leistungsfähiger sein als alles, was wir heute haben. Wissenschaftler sagen voraus, dass die aufkommende Ära des Quantencomputers zu großen Durchbrüchen führen könnte.

Die Quantum Computing-Ära ist da. Warum es wichtig ist – und wie es unsere Welt verändern kann.

Hypergenaue Langzeitwettervorhersage. Lebensrettende Medikamente, die durch eingehende Untersuchung des Verhaltens komplexer Moleküle entdeckt wurden. Neue synthetische Materialien zur Kohlenstoffabscheidung zur Umkehrung des durch fossile Brennstoffe verursachten Klimawandels. Stabile, langlebige Batterien für den Antrieb von Elektrofahrzeugen und die Speicherung von grüner Energie für das Versorgungsnetz.

Es kann wie eine ehrgeizige Wunschliste lesen. Viele Wissenschaftler sagen jedoch voraus, dass die aufkommende Ära des Quantencomputers zu solchen Durchbrüchen führen und gleichzeitig andere Hauptprobleme angehen könnte, die außerhalb der Reichweite unseres derzeitigen Computerregimes liegen.

Quantum Computing ist keine neue Idee. Aber erst in den letzten Jahren hat die funktionsfähige Technologie begonnen, die Theorie einzuholen.

IBM stellte 2016 einen Quantencomputer der Öffentlichkeit zur Verfügung, indem er ihn mit der Cloud verband – ein echter Wendepunkt in der Entwicklung dieser Technologie, indem externe Forscher und Entwickler ihre Möglichkeiten erkunden konnten. Mit der Eröffnung des Quantum Computation Center von IBM hat die Branche im September 2019 einen großen Schritt gemacht . Diese Flotte von 15 Systemen enthält den fortschrittlichsten Quantencomputer, der bisher für den externen Gebrauch verfügbar ist.

Wissenschaftler sind von den Möglichkeiten fasziniert. Ein von Analysten prognostizierter Quantum wird sich in den 2020er Jahren genauso weltweit verändern wie das Smartphone in dem gerade zu Ende gegangenen Jahrzehnt.

Zusammenarbeit ist der Schlüssel

Das Quantum Computation Center bietet rund 100 IBM Kunden, akademischen Institutionen und mehr als 200.000 registrierten Benutzern Zugang zu dieser Spitzentechnologie durch eine Zusammenarbeit namens IBM Q Network und die schnell wachsende Community rund um Qiskit, IBMs Open-Source-Entwicklungsplattform für Quantum Computing. Durch diese Bemühungen untersuchen IBM und andere, wie Quantencomputer ihre kompliziertesten Probleme lösen können, während sie eine Belegschaft für die Verwendung dieser Technologie schulen.

Die Erleichterung der Ausbildung und die Entwicklung der Belegschaft der nächsten Generation ist für IBM ein wichtiger Schwerpunkt. Dazu gehört der beschleunigte Zugriff auf Qiskit und Lernwerkzeuge wie die Videoserie „ Coding With Qiskit “, die mehr als 1,5 Millionen Impressionen und über 10.000 Stunden an Inhalten generiert hat, die von Benutzern konsumiert wurden. Das Unternehmen hat außerdem ein Open-Source-Lehrbuch veröffentlicht, das von Experten auf diesem Gebiet verfasst wurde, darunter mehrere von IBM Research sowie von Professoren, die einen Teil des Materials in ihren eigenen Universitätskursen verwendet haben.   

Zu den Q Network-Partnern zählen unter anderem ExxonMobil, Daimler , JP Morgan Chase , Anthem, Delta Airlines, das Los Alamos National Laboratory, das Oak Ridge National Laboratory, die Georgia Tech University, die Keio University, das Q-Farm-Programm der Stanford University und Mitsubishi Chemical.

Im vergangenen Jahr gab IBM Partnerschaften mit der Universität Tokio und dem deutschen Forschungsunternehmen Fraunhofer-Gesellschaft bekannt , die das bereits breite Netzwerk von Quantenforschern weltweit erheblich erweitern werden. Die Geschichte des Rechnens zeigt uns, dass kreative Menschen auf der ganzen Welt Anwendungen für diese Systeme finden werden, die niemand hätte vorhersagen können.

Foto von Katie Pizzolato im Artikel vorgestellt
Katie Pizzolato IBM

Gegenwärtig ist es schwierig vorherzusagen, welche Auswirkungen Quantum auf die Beschäftigung oder die Wirtschaft haben wird. Das Forschungsunternehmen Gartner geht jedoch davon aus, dass „bis 2023 20 Prozent der Unternehmen QC-Projekte budgetieren werden, gegenüber weniger als 1 Prozent im Jahr 2018“. *

„Wie kommen wir in die Quantenzukunft?“, Fragt Katie Pizzolato, Director of Applications Research im IBM Q Network. „Indem wir die fortschrittlichsten Quantensysteme und eine Entwicklungsplattform aufbauen und der Welt zur Verfügung stellen.“

Was macht Quantum anders?

Wie unterscheidet sich Quantum vom „klassischen“ Digital Computing? Herkömmliche Computer verwenden Transistoren, die Informationen nur in zwei elektrischen Zuständen speichern können – Ein oder Aus -, wobei der binäre Computercode 1 oder 0 darstellt. Dies sind die Binärziffern oder „Bits“ des klassischen Rechnens.

Quantum Computing ist ein ganz anderes Tier. Es leitet seinen Ursprung aus dem Bereich der Quantenphysik, die in den frühen 20ern entstanden th Jahrhundert , als Wissenschaftler begann das Verhalten von subatomaren Teilchen zu studieren.

Was sie entdeckten, schockierte viele von ihnen. Einfach ausgedrückt, können subatomare Teilchen an zwei Orten oder in zwei Zuständen gleichzeitig existieren und sich den zuvor akzeptierten Gesetzen der physischen Welt widersetzen. Der Begriff dafür ist “ Überlagerung „. Die Forscher entdeckten auch, dass durch Entfernungen getrennte Partikel Informationen sofort und schneller als mit Lichtgeschwindigkeit austauschen können. Dies wird als “ Verstrickung “ bezeichnet.

Wenn das seltsam und unplausibel klingt, liegt das daran, dass es so ist. Niels Bohr, einer der Wissenschaftler, die Pionierarbeit auf dem Gebiet der Quantenmechanik geleistet haben, witzelte, dass jeder, „der von der Quantentheorie nicht schockiert ist, sie nicht versteht“.

Jenseits von Binär

Diese subatomare Realität hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Datenverarbeitung. Die von herkömmlichen Computern verwendeten Binärbits – diese Nullen und Einsen – begrenzen die Art der Aufgabe, die klassische Computer ausführen können, und die Geschwindigkeit, mit der sie diese Aufgaben ausführen können.

Qubits sind die Basis für Quantencomputer. Sie überschreiten diese binäre Begrenzung von 1 oder 0. Im Gegensatz zu Bits können Qubits in mehreren Zuständen gleichzeitig existieren. Dies gibt ihnen das Potenzial, exponentielle Informationsmengen zu verarbeiten.

Eine Quantenmaschine mit nur wenigen Qubits kann nur ungefähr so ​​viele Informationen verarbeiten wie ein klassischer 512-Bit-Computer. Aufgrund der exponentiellen Natur der Plattform ändert sich die Dynamik jedoch sehr schnell. Bei perfekter Stabilität könnten 300 Qubits mehr Datenwerte darstellen als Atome im beobachtbaren Universum. Dies eröffnet die Möglichkeit, hochkomplexe Probleme zu lösen, die für jeden klassischen Computer unerreichbar sind.

Foto von Dario Gil, IBMs Forschungsdirektor
Dario Gil IBM

„Das Schöne an Quantencomputern ist, dass sie eine subtilere Denkweise für Probleme bieten, die über die Binärdatei hinausgehen – über die einfache 0 oder 1, Ja oder Nein, Richtig oder Falsch hinaus“, sagt Dario Gil, Director von IBM Forschung. „Das heißt nicht, dass es am Ende keine konkreten Antworten geben wird. Quantencomputer werden es jedoch ermöglichen, viele der komplexesten Probleme der Welt zu bewältigen, die sich nicht schnell lösen lassen. “

Was kann Quantencomputer für uns tun?

Quantencomputer werden um Größenordnungen leistungsfähiger sein als alles, was wir heute haben. Aber welche Probleme werden sie lösen? Was machen Wissenschaftler jetzt mit ihnen?

Es besteht allgemein Einigkeit darüber, dass die wichtigsten Quantenanwendungen Jahre entfernt sind. Forscher sagen jedoch, dass einige vielversprechende Anwendungen auffallen:

Klimawandel

Quantum Computing könnte zu einem neuartigen, aber ehrgeizigen Plan führen, um die negativen Auswirkungen des Klimawandels umzukehren, indem effiziente Wege zur Entfernung von Kohlenstoff aus der Atmosphäre gefunden werden.

Dazu benötigen Wissenschaftler ein besseres Verständnis des Kohlenstoffatoms und seiner Wechselwirkung mit anderen Elementen. Die Forscher müssen in der Lage sein, zu beobachten und zu modellieren, wie die acht umlaufenden Elektronen jedes Kohlenstoffatoms mit den Elektronen einer nahezu unendlichen Vielfalt anderer Moleküle interagieren können, bis die Forscher die Kombination finden, die den Kohlenstoff am besten binden kann. 

Batterien, um mehr Strom für saubere Energie zu speichern

Ein grundlegender Baustein unserer Zukunft für saubere Energie werden Batterien sein. Heutige Batterien verlieren zu schnell Strom. Sie können auch nicht genug Ladung halten, um den steigenden Anforderungen gerecht zu werden. Und manchmal sind sie instabil. Der heute am häufigsten verwendete Batterietyp, Lithium-Ionen, ist abhängig von Kobalt, einem Metall, dessen weltweite Versorgung schwindet.

Wir brauchen bessere Batterien für Anwendungen wie den Antrieb von Elektrofahrzeugen. Versorgungsunternehmen benötigen sie, um Sonnen- und Windenergie zu speichern, beispielsweise wenn die Sonne nicht scheint oder der Wind nicht weht.

„Wir müssen eine grundlegend andere Chemie finden, um die Batterien der Zukunft herzustellen“, sagt Pizzolato. „Mit Quantum Computing können wir effektiv in die chemischen Reaktionen der Batterien blicken, um die Materialien und Reaktionen besser zu verstehen, die der Welt diese besseren Batterien verleihen.“

Neue Einblicke in die Chemie

Mehr über chemische Reaktionen auf atomarer Ebene zu erfahren, könnte auch zu Durchbrüchen bei Pharmazeutika oder Materialien wie energieeffizientem Dünger führen (derzeit ein massiv energieintensives Unterfangen und ein wesentlicher Faktor für die Kohlenstoffemissionen).

Die Katalysatoren, die diese Art von Entdeckungen auslösen, sind die Essenz fast aller Fortschritte in der Chemie. Aufgrund der unendlich komplexen Art und Weise, in der Atome miteinander interagieren, sind fast alle chemischen Durchbrüche durch Zufall, Intuition oder erschöpfende Anzahl von Experimenten zustande gekommen. Quantum Computing könnte diese Arbeit schneller und methodischer machen und zu neuen Entdeckungen in den Bereichen Medizin, Energie, Materialien und anderen Bereichen führen.

Portfolio-Management

Es ist keine Überraschung, dass Finanzinstitute die Verwendung von Quantum zum Ausgleich von Portfolios und Preisoptionen, den Instrumenten zur Absicherung von Risiken, untersuchen. Aufgrund der Komplexität der Verarbeitung einer großen Anzahl sich ständig ändernder Variablen dauert es oft einen ganzen Tag, bis ein korrekter Preis erreicht ist.

Quantum verspricht, solche Berechnungen in wenigen Minuten durchzuführen, was bedeutet, dass diese Derivate nahezu in Echtzeit gekauft und verkauft werden können. Einige Banken, wie JPMorgan Chase, testen bereits Quantencomputer für diesen Zweck.

Für Verbraucher, unabhängig davon, ob sie für ein Eigenheim sparen, einen Sparplan für Hochschulen pflegen oder Vermögenswerte für einen sicheren Ruhestand aufbauen, könnten die beruhigenden Vorteile von Finanzprodukten mit geringerem Risiko und höherem Gewinn erheblich sein.

Verschlüsselung

Die Kryptographie ist ein Bereich, der im Quantengespräch große Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat. Bisher befasste sich ein Großteil der Diskussion mit den wahrgenommenen Gefahren einer neuen Klasse oder von Codebrechern. Das Gegenargument – neue Arten sicherer Datensysteme – könnte sich jedoch als ebenso überzeugend erweisen.

In jedem Fall werden echte Durchbrüche wahrscheinlich nicht bald kommen.   

Die fortschrittlichste Datensicherheitssoftware verwendet jetzt komplexe Algorithmen, um Kennwörter zu generieren, deren Unterbrechung bei klassischen Computern lange dauern würde. Quantum droht, dieses Paradigma vollständig umzukehren, wodurch die derzeitige Verschlüsselung effektiv unbrauchbar wird. Ein vor einem Vierteljahrhundert entwickelter Quantencomputeralgorithmus namens Shors Algorithmus könnte theoretisch sogar die mächtigste der heutigen Verschlüsselungsformen knacken. Aber Shors Algorithmus würde fehlertolerante Quantencomputer erfordern, die noch nicht existieren und möglicherweise noch viele Jahre entfernt sind. 

Die Möglichkeit, dass die derzeitigen Cybersicherheitsstandards überholt werden könnten, hat die Aufmerksamkeit der Regierungen auf sich gezogen. Das Nationale Institut für Standards und Technologie hat beispielsweise einen Wettbewerb um die Entwicklung neuer Verschlüsselungswerkzeuge , die gegen die potenzielle Gefahr resistent sind.

Was muss passieren, um das Versprechen von Quantum zu erfüllen?

Trotz der zahlreichen Aktivitäten und des schnell wachsenden Interesses an Quantencomputern sind große Durchbrüche bei realen Anwendungen wahrscheinlich noch Jahre entfernt.

Ein Grund ist die Unbeständigkeit der subatomaren Materie. Qubits sind extrem empfindlich, und selbst eine kleine Störung bringt Teilchen aus dem Quantenzustand. Deshalb werden Quantencomputer bei Temperaturen gehalten, die etwas über dem absoluten Nullpunkt liegen und kälter als der Weltraum sind, da die Materie umso stabiler wird, je kälter sie wird. Selbst bei dieser Temperatur bleiben Qubit-Partikel typischerweise nur für Bruchteile einer Sekunde in Überlagerung.

Es ist eine große Herausforderung, herauszufinden, wie man Qubits in einem längeren Zustand der Superposition hält, die Wissenschaftler noch bewältigen müssen.

Ein nächster wichtiger Maßstab, so Pizzolato, wird die erfolgreiche Implementierung von „logischen Qubits“ sein, die einen Quantenzustand länger aufrechterhalten können, als dies jetzt technisch möglich ist. Für die Fehlertoleranz sind logische Qubits erforderlich – der wahre Test für die Nützlichkeit von Quantencomputern. Wie andere bei IBM zögert Pizzolato, eine Zeitachse vorherzusagen, sagt jedoch, dass das logische Qubit wahrscheinlich irgendwann im nächsten Jahrzehnt eintreffen wird.

Eine weitere offene Frage ist die wirtschaftliche: Wie wird sich die Ankunft des Quantenzeitalters auf die Anzahl, Kategorien und Qualität der Arbeitsplätze in den kommenden Jahrzehnten auswirken? Es ist derzeit schwer zu sagen, wie groß ein Quantencomputer in der Branche letztendlich sein wird. Gegenwärtig hat jedoch eine große Qualifikationslücke dazu geführt, dass fast jede Quantenorganisation Schwierigkeiten hat, qualifizierte Rekruten zu finden.

Die Anfang 2019 in Kraft getretene Nationale Quanteninitiative soll Bundesmittel bereitstellen, um diese Qualifikationslücke zu schließen. Praktische Schulungen, wie sie das IBM Q Network ermöglicht, sind jedoch für eine langfristige Lösung von entscheidender Bedeutung.

Während sich die Quantenära langsam entwickeln mag, sollte man bedenken, dass das Internet – oder eine frühe Version davon – jahrzehntelang existierte, bevor es als die wahrhaft revolutionäre Kraft etabliert wurde, zu der es werden würde. Aber wie das Internet führen die Arbeiten, die Forscher derzeit zum Thema Quantencomputer leisten, zu einer Welt, die wir uns jetzt nicht vorstellen können.

„Nur durch die harte Arbeit am Quantencomputer, die wir und unsere Partner auf der ganzen Welt jetzt leisten“, sagt Pizzolato, „können wir hoffen, die großen globalen Probleme zu lösen, mit denen wir in den kommenden Jahren gemeinsam konfrontiert werden.“ ‚

Quelle :https://www.forbes.com/sites/ibm/2020/01/16/the-quantum-computing-era-is-here-why-it-mattersand-how-it-may-change-our-world/#46d214f65c2b


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