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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© BKA/Regina Aigner - Digitalisierungsstaatssekretär Alexander Pröll.

Der kürzlich veröffentlichte 4. Länderbericht zur Digitalen Dekade der Europäischen Union zeigt Österreichs Fortschritte bei der digitalen Transformation. Besonders stark schneidet die Republik bei digitalen Verwaltungsservices ab: Im eGovernment Benchmark 2026 erreicht Österreich mit 85,5 Punkten Platz sechs unter den EU-Mitgliedstaaten und liegt damit über dem EU-Schnitt von 76,6 Punkten.

Ziel Top 3

Weitere Stärken zeigt der Bericht bei der mobilen Benutzerfreundlichkeit digitaler Services, den digitalen Grundkompetenzen, der Nutzung von Künstlicher Intelligenz durch Unternehmen sowie bei der Quantentechnologie.

„Wir nähern uns unserem Ziel, unter die Top 3 in der EU zu kommen. Der EU-Länderbericht zeigt klar: Österreichs digitale Transformation nimmt stetig an Tempo zu. Platz 6 im eGovernment Benchmark und Platz 1 bei der mobilen Benutzerfreundlichkeit digitaler Verwaltungsservices bestätigen den eingeschlagenen Weg. Unsere Anstrengungen rund um die ID Austria, digitale Kompetenzen und Public AI zeigen Wirkung. Das Motto lautet: digitale Verwaltung muss für Bürgerinnen und Bürger sowie Unternehmen einfacher, schneller und alltagstauglicher werden“, sagt Digitalisierungsstaatssekretär Alexander Pröll.

Verbesserung digitaler Grundkompetenzen

Österreich erreicht im europäischen Vergleich Platz 1 bei der Benutzerfreundlichkeit digitaler Verwaltungsleistungen auf Mobilgeräten – gemeinsam mit Luxemburg und Malta. Grundlage dafür sei ein starkes eID-Ökosystem. Die Weiterentwicklung und breitere Nutzung der ID Austria trügen dazu bei, digitale Amtswege einfacher und mobil besser nutzbar zu machen, heißt es.

Auch bei den digitalen Grundkompetenzen verbessert sich Österreich weiter und steigt von Platz 8 auf Platz 7 im europäischen Vergleich. 69,8 Prozent der Bevölkerung verfügen demnach über zumindest grundlegende digitale Fähigkeiten. Damit liegt Österreich über dem EU-Durchschnitt von 60,4 Prozent. Frauen liegen in Österreich mit 70,75 Prozent vor Männern mit 68,79 Prozent und damit entgegen dem EU-Trend.

KI-Nutzung steigt

Eine positive Entwicklung zeigt sich auch bei der Nutzung von Künstlicher Intelligenz durch Unternehmen. Zwischen 2023 und 2025 ist der Anteil der österreichischen Unternehmen, die KI einsetzen, von 10,79 Prozent auf 29,95 Prozent gestiegen. Österreich liegt damit im DESI 2026 (Anm.: Index für digitale Wirtschaft der EU) auf Platz 7 von 27 Mitgliedstaaten – der EU-Schnitt beträgt 19,95 Prozent. Bei Großunternehmen nutzen bereits 68,26 Prozent KI. Auch bei der erstmals erhobenen KI-Nutzung durch Bürgerinnen und Bürger liegt Österreich mit 39,42 Prozent über dem EU-Durchschnitt von 32,66 Prozent.

Der Bericht hebt auch Österreichs starke Position in der Quantentechnologie hervor. Österreich gilt insbesondere rund um Wien und Innsbruck als europäischer Vorreiter in der Quantenforschung. Die Initiative Quantum Austria wird mit 107 Millionen Euro aus der Recovery and Resilience Facility finanziert und stärke damit gezielt Forschung, Technologieentwicklung und Standortkompetenz.

Auch Aufholbedarf

Neben den Verbesserungen zeigt der Bericht gleichzeitig weiteren Aufholbedarf, insbesondere beim Ausbau der Glasfaserinfrastruktur, der Nutzung von Cloud- und Datenanalyse-Lösungen durch Unternehmen sowie der Digitalisierung kleiner und mittlerer Unternehmen.

„Der Bericht ist Rückenwind und Arbeitsauftrag zugleich. Österreich ist in vielen Bereichen stark unterwegs, aber wir dürfen uns darauf nicht ausruhen. Gerade bei Glasfaser, Cloud, Datenmanagement und KMU-Digitalisierung müssen wir schneller werden“, betont Pröll abschließend.


Hintergrund: Digitale Dekade der EU

Mit der Digitalen Dekade hat sich die Europäische Union ambitionierte Ziele bis 2030 gesetzt. Dazu zählt unter anderem der Ausbau digitaler Kompetenzen, moderne digitale Infrastrukturen, leistungsfähige digitale Verwaltungsservices, digitale Identitäten sowie die Stärkung der digitalen Transformation von Unternehmen. Der Länderbericht bewertet jährlich die Fortschritte der Mitgliedstaaten anhand definierter Ziele und Indikatoren.

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