23.04.2018

Quantencomputer: Eine Lösung für die AI?

Interview. Der Quantencomputer könnte für die Artificial Intelligence einen massiven Schritt bedeuten. Die Frage ist: Wann wird er so weit sein?
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Quantencomputer
(c) fotolia.com - Sergey Tarasov

Alexander Glätzle begann seine Forschungen der Theoretischen Quantenphysik am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation an der Universität Innsbruck. Sein Projekt zum Thema Quantum Enhanced Maschine Learning brauchte ihm den ersten Platz beim Demo-Day der I.E.C.T. Summer School on Entrepreneuship 2017 ein und führte ihn schließlich nach Oxford, wo er heute in der Grundlagenforschung zu Quanten-Simulatoren und Quanten-Rechnern arbeitet. Im Interview beantwortete er uns ein paar Fragen über den Quantencomputer und seine zukünftigen Möglichkeiten für die Artificial Intelligence.

+++ Hermann Hausers I.E.C.T. Summer School: Applications are open! +++


Die erste Frage zur Orientierung. Wie arbeiten Quantencomputer und was können sie heute?

Quantencomputer basieren – wie der Name sagt – auf den Prinzipien der Quantenmechanik die sich grundlegend von der klassischen Physik unterscheidet und erfolgreich die Eigenschaften und Dynamik von Atomen, Elektronen und Photonen beschreibt. In gewohnten klassischen Computern besteht der Speicher aus Bits, die entweder den Wert Null oder Eins annehmen können. Quanten-Bits – kurz Qubits – können dagegen beide Zustände gleichzeitig annehmen und sich quantenmechanisch „verschränken“. Eine sehr fragile Eigenschaft, die nur in der Quantenwelt, bei sehr kalten Temperaturen und atomaren Teilchen, vorkommt. Die Rechenleistung würde damit exponentiell steigen – zumindest theoretisch –, denn ein Quantencomputer kann jeden Rechenschritt mit sämtlichen Zuständen zur gleichen Zeit durchführen. Das bedeutet nicht, dass Quantencomputer herkömmlichen Rechnern grundsätzlich überlegen sind. Aber die Hoffnung ist, dass sie viele hochkomplexe Aufgaben weitaus schneller lösen als herkömmliche Super-Rechner oder für manche heute nicht lösbaren Problem, überhaupt erst eine Lösung ermöglichen.

Alexander Glätzle

Allerdings machen es gerade diese beiden Eigenschaften, die den Quantencomputer so stark machen, auch unglaublich schwierig, Qubits zu kontrollieren und herzustellen. Das außerordentliche Potential von Quantencomputern gibt es nur, wenn es gelingt die Quantenzustände vor thermischen Fluktuationen und Strahlung zu schützen. 2012 wurden Serge Haroche und David Wineland mit dem Nobelpreis ausgezeichnet für ihre bahnbrechenden Ideen einzelnen Atome und Ionen zu fangen und so zu kontrollieren, so dass sie Quanteneigenschaften zeigten.

Was die Anzahl der Qubits betrifft gibt es zwei unterschiedliche Richtungen. Die eine Richtung fokussiert sich darauf ein paar wenige Qubits perfekt zu kontrollieren und dann upzuscalen. So wurden zum Beispiel in Innsbruck mit Ionen bereits voll funktionsfähige Quantencomputer mit 4 – 8 Qubits gebaut, die darauf optimiert sind, Quanteneffekte für besonders lange Zeit aufrecht zu halten. Vor kurzem wurden auf der CES von IBM und Intel zwei Prototypen mit 50 bzw. 49 Qubits vorgestellt. Die andere Richtung verfolgt zum Beispiel D-Wave: Eine analoge Maschine mit über 2000 Qubits, die speziell für Optimierungsprobleme ausgelegt ist. Volkswagen nutzte diese D-Wave Maschine kürzlich erfolgreich für Verkehrsoptimierung. Allerdings sind sich Experten uneins, ob es sich wirklich um einen Quanten- oder doch nur einen starken klassischen Optimierer handelt.

Was kann man mit 50 Qubits machen?

Das ist gerade besonders spannend in Hinblick auf der Jagd nach „Quantum supremacy“, einer etwas nebulösen theoretischen Grenze, an der klassische Computer nicht mehr mithalten können. Das hängt natürlich auch davon ab, wie gut der beste klassische Algorithmus ist, von der Qualität der Qubits und der tiefe der Gates. Daher wird das wohl eine bewegliche Linie sein, über die man sicher diskutieren wird.

Es ist aber ziemlich sicher, dass dies keine Probleme sein werden wie Verschlüsselungen knacken oder pharmazeutisch motivierte Anwendungen – dazu reicht die Anzahl der kohärenten Qubits noch nicht aus– , sondern abstrakte Probleme bei denen nicht die Antwort im Vordergrund steht sondern das Device selbst. Aber nicht nur der Quanten-speed-up scheint exponentiell zu sein, sondern auch der experimentelle Fortschritt. Wir erleben gerade sehr spannende Zeiten.

Welche Auswirkung könnte Quantencomputing auf die Entwicklung der AI haben?

Eine Herausforderung, für die analogen Quantencomputer geradezu prädestiniert sind, ist Optimierungsaufgaben zu lösen. Mathematisch schauen alle Optimierungsaufgaben gleich aus: Die Aufgabe ist es, bildlich gesprochen, in einer bergigen Landschaft den Ort mit der geringsten Seehöhe zu finden, also den tiefsten Punkt. Dieser entspricht dann der optimalen Lösung des Problems. Stellen Sie sich vor, ein Hubschrauber setzt sie in Alaska aus, ohne Handy, GPS oder Karte und ihre Aufgabe ist es, den tiefsten Punkt zu finden. Schnell werden sie feststellen wie anstrengend das ist, da sie sehr viel Zeit und Energie brauchen um die Berge zu erklimmen um ins dahinter gelegene Tal zu blicken. So ähnlich würde ein klassischer Computer arbeiten. Wären Sie ein Quantencomputer, könnten Sie durch den Berg durchtunneln, ohne ihn zu besteigen und damit das Minimum schneller finden. Nach dem gleichen Prinzip funktionieren auch Machine Learning und Artificial Intelligence.

Während angenommen wird, dass general-purpose quantum computing noch ein paar Jahrzehnte entfernt ist, sind solche speziellen Anwendungen möglicherweise bald in Reichweite. Quanten Machine learning gehört da sicher dazu und könnte das spannende Feld von künstlicher Intelligenz noch mehr befeuern.

Wann könnten erste Quantenkonzepte für AI anwendbar sein?

Die größten Hardware-Herausforderungen sind sicher die Qualität der Qubits und ihre Skalierbarkeit. Es ist sehr schwer abzuschätzen, wenn Quanten-Technologie für Machine Learning relevant wird und auch tatsächlich einen Vorteil bringt. Betrachtet man das explosionsartige Interesse der Industrie und Startups an Quantentechnologie in den letzten paar Jahren gibt es Anzeichen, dass es möglicherweise nur noch ein paar Jahre statt Jahrzehnte dauern wird. Das spüren auch die Strategieabteilungen großer Firmen, die mit Respekt alle disruptiven Entwicklungen beobachten. Wie bei allen exponentiellen Entwicklungen sollte man sich bewusst sein, dass der Impact von Quantentechnologie möglicherweise so groß ist, dass der first-mover Vorteil alle anderen überrennt. Momentan gilt das alte Sprichwort: high risk, high gain.

⇒ Zur Page des Physik-Departments der Uni Oxford

Dieses Interview erschien in gedruckter Form im aktuellen Brutkasten Magazin #6

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© brutkasten

Wer Blockchain hört, denkt oft noch immer an Kryptowährungen, Kursentwicklungen und die Spekulationsexzesse der vergangenen Jahre. Dieses Bild greift jedoch zunehmend zu kurz. Nach zwei Tagen beim Proof of Talk in Paris, einem der relevantesten europäischen Treffen für Web3, digitale Assets und Finanzinnovation, ist mein Eindruck vor allem einer: Die Diskussion hat sich fundamental verändert.

Bemerkenswert war dabei weniger die Technologie selbst als die Zusammensetzung der Teilnehmerinnen und Teilnehmer. Neben Gründer:innen und Technologieunternehmen waren Banken, Asset Manager, institutionelle Investoren, Zahlungsdienstleister und Regulatoren präsent. Viele der Gespräche drehten sich nicht mehr um die Frage, ob Blockchain-Technologien künftig eine Rolle spielen werden, sondern darum, wo und wie sie konkret eingesetzt werden können. Die Debatte hat die Nische verlassen und ist in der Mitte des Finanzsystems angekommen.

Genau darin liegt auch die eigentliche Relevanz der Entwicklung. Im Kern geht es längst nicht mehr um Kryptowährungen. Es geht um die Infrastruktur der Finanzwelt von morgen. Diskutiert wurden Themen wie Tokenisierung, Stablecoins, digitale Identitäten, neue Kapitalmarktmodelle und die Frage, wie Finanztransaktionen künftig abgewickelt werden. Viele dieser Entwicklungen stehen noch am Anfang. Dennoch entsteht zunehmend der Eindruck, dass sich hier grundlegende Bausteine einer neuen Finanzarchitektur herausbilden.

Besonders häufig fiel in Paris das Schlagwort Tokenisierung. Die dahinterstehende Idee ist, reale Vermögenswerte digital abzubilden und damit einfacher handelbar, teilbar und zugänglich zu machen. Befürworter sehen darin die Chance auf effizientere Kapitalmärkte und einen leichteren Zugang zu Investitionen. Ob sich diese Vision in vollem Umfang verwirklichen wird, bleibt abzuwarten. Unübersehbar ist jedoch, dass erhebliche Ressourcen und Aufmerksamkeit in diese Richtung fließen.

Für Europa stellt sich dabei eine weit größere Frage als jene nach einzelnen Technologien oder Geschäftsmodellen, nämlich die Wettbewerbsfähigkeit. In den vergangenen Jahren wurde intensiv darüber diskutiert, wie Europa bei künstlicher Intelligenz, Cloud-Infrastruktur oder Halbleitern eine stärkere Rolle einnehmen kann. Weniger Aufmerksamkeit erhält bislang die Frage, wer die Finanzinfrastruktur des digitalen Zeitalters gestaltet.

Dabei sind die Parallelen offensichtlich. Wer die Standards definiert, die Plattformen betreibt und die Infrastruktur kontrolliert, verfügt über einen erheblichen strategischen Vorteil. Wenn Europa digitale Souveränität ernst meint, sollte diese Debatte daher nicht bei KI oder Cloud-Lösungen enden. Sie muss auch den Finanzsektor umfassen.

Die Voraussetzungen dafür wären grundsätzlich vorhanden. Europa verfügt über starke Universitäten, technologisches Know-how, hohe Sparquoten und etablierte Finanzinstitutionen. Gleichzeitig zeigt sich seit Jahren ein wiederkehrendes Muster: Innovationen entstehen häufig in Europa, werden aber anderswo skaliert. Genau deshalb wird es entscheidend sein, Forschung, Unternehmertum, Kapital und Regulierung stärker zusammenzuführen und die Umsetzungsgeschwindigkeit zu erhöhen.

Proof of Talk hat mir vor allem eines vor Augen geführt: Die Diskussion befindet sich an einem anderen Punkt als noch vor wenigen Jahren. Die Frage lautet nicht mehr, ob Blockchain-Technologien jemals relevant werden könnten. Die Frage lautet zunehmend, welche konkreten Anwendungen sich durchsetzen und welche Regionen von dieser Entwicklung profitieren werden.

Ob Blockchain tatsächlich die Finanzwelt grundlegend verändern wird, kann heute niemand mit Sicherheit beantworten. Sicher ist jedoch, dass Banken, Investoren, Unternehmen und Regulatoren diese Möglichkeit mittlerweile ernsthaft diskutieren. Allein das unterscheidet die aktuelle Situation grundlegend von jener vor einigen Jahren.

Gerade deshalb lohnt es sich, die Entwicklungen aufmerksam zu verfolgen. Nicht, weil jede technologische Vision Realität wird. Sondern weil in solchen Phasen oft die Grundlagen jener Infrastrukturen entstehen, die Wirtschaft und Gesellschaft über Jahrzehnte prägen. Die nächste Finanzinfrastruktur wird möglicherweise genau jetzt gebaut. Die entscheidende Frage für Europa lautet daher nicht, ob sie kommt, sondern welche Rolle wir dabei spielen werden.

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