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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Cyber-Attacken, Cybersecurity, KI-Scam
© KPMG/Eva Kelety - (v.l.) Andreas Tomek, Michael Höllerer und Robert Lamprecht.

Cyberangriffe auf heimische Unternehmen sind in den vergangenen zwölf Monaten – auch wenn diese bereits auf hohem Niveau waren – noch einmal mehr geworden. 25 Prozent der Befragten in einer aktuellen KPMG-Studie sagen, dass Cyberangriffe auf ihr Unternehmen stark bzw. eher zugenommen haben. Jeder achte registrierte Cyberangriff war dabei erfolgreich und überwand die Sicherheitsbarrieren der Unternehmen. Der Trend, der sich abzeichnet: Cyberangriffe werden effizienter, nicht harmloser. Heute dominieren unauffällige und mit KI strategisch orchestrierte Angriffe das Bild.

Diese Erkenntnisse aus der KPMG-Studie lassen sich mit einem konkreten Beispiel der jüngsten Vergangenheit gut belegen und zeigen, wie gefährlich Unachtsamkeit in so einem Fall sein kann.

Niederösterreichisches Startup als jüngstes Beispiel

Letzte Woche wurde – wie brutkasten berichtete – das NÖ-Kindermöbel-Startup poptop Opfer eines KI-Scams. Und überwies 41.000 Euro an eine dubiose US-Firma. Dabei wurden interne Zahlungsfreigaben per KI-generierter Mail täuschend echt imitiert. Man konnte den überwiesenen Betrag mithilfe der Bank zurückbekommen.

Doch KI- und Cyberangriffe kommen nicht nur über E-Mail, wie die Untersuchung weiter ausweist.

Die Top-Angriffsarten sind in diesem Jahr Malware über E-Mail-Anhänge (von 78 Prozent der Unternehmen berichtet), (Spear-)Phishing über Links (69 Prozent), die Ausnutzung von Hardware-/Software-Schwachstellen (58 Prozent), Business-E-Mail-Compromise, also CEO-/CFO-Fraud (57 Prozent), sowie Scam-Anrufe (52 Prozent).

Abgenommen haben im Vergleich zum Vorjahr Denial-of-Service-Attacken, Scam-Anrufe und (Spear-)Phishing-Angriffe. Gestiegen sind unter anderem die Umgehung der Multifaktor-Authentifizierung (MFA) sowie Angriffe gegen Industriesteuerungsanlagen (OT).

Neu hinzugekommen ist das Ausnutzen von Hardware-/Software-Schwachstellen, was verdeutlicht, dass KI die Art der Angriffe in den letzten zwölf Monaten wesentlich verändert hat.

  • Die Hälfte aller Angriffe (50 Prozent) lässt sich auf organisierte Kriminalität zurückführen.
  • Jeder zehnte Angriff wird von staatlich unterstützten Akteuren ausgeführt.
  • Jedes vierte von Ransomware betroffene Unternehmen gibt an, die Lösegeldforderungen bezahlt zu haben.
  • In 40 Prozent der Angriffsfälle war ineffektives Patch-Management das Einfallstor.

Künstliche Intelligenz verändert die Spielregeln

„Wir stehen mit KI an einem Wendepunkt und bewegen uns weg von einer Welt, die auf klaren Regeln, bekannten Mustern und nachvollziehbaren Reaktionen basiert, hin zu Systemen, die Entscheidungen zunehmend autonom treffen und die wir nicht immer vollständig nachvollziehen können. Die zentrale Frage ist daher nicht nur, ob KI eingesetzt wird, sondern ob sie steuerbar bleibt“, beschreibt KPMG-Partner und Studienautor Robert Lamprecht die aktuelle Lage.

Besonders kritisch sei zudem die Verkürzung der Zeitspanne zwischen dem Auffinden von Schwachstellen und deren Ausnutzung durch die Angreifer. Was früher Tage oder Wochen gedauert hat, kann heute in wenigen Stunden passieren. Gleichzeitig herrsche in Unternehmen eine spürbare Skepsis, ob KI tatsächlich zur Verbesserung der Cybersicherheit beiträgt (nur 33 Prozent Zustimmung), da die Vorteile aktuell stärker aufseiten der Cyberkriminellen gesehen werden.

  • Für jedes zweite befragte Unternehmen (50 Prozent) stellen KI-unterstützte Cyberangriffe die größte Herausforderung dar.
  • 47 Prozent geben an, dass bei Cyberangriffen gegen ihr Unternehmen verstärkt KI eingesetzt wird. 28 Prozent haben sich mit dem Einsatz von KI zur Verbesserung der eigenen Cybersicherheit beschäftigt.
  • Bei 61 Prozent führten Anwender:innenfehler bei der Nutzung von KI zu Cybersicherheits- und Datenschutzvorfällen sowie Know-how-Abfluss.

Laut der, zum elften Mal in Folge veröffentlichten, Studie bringen zudem KI-Systeme und zunehmende Vernetzung Unternehmen unter Druck, da Kontrolle und Überblick über komplexe Abhängigkeiten schwinden. Besonders die Lieferkette gilt als kritisches Einfallstor: Angreifer nutzen gezielt schwache Glieder im IT-Ökosystem, wodurch ganze vernetzte Strukturen gefährdet werden.

So waren bei 39 Prozent der Unternehmen die eigenen Dienstleister oder Lieferanten innerhalb der letzten zwölf Monate Opfer eines Cyberangriffs; bei weiteren 14 Prozent gab es zumindest einen entsprechenden Verdacht. Derartige Vorfälle bleiben oft nicht ohne direkte Konsequenzen für die Auftraggeber: Mehr als jedes fünfte Unternehmen (22 Prozent) berichtet, dass ein Vorfall bei einem Dienstleister oder Lieferanten in der Folge auch zu einem Angriff auf das eigene Haus geführt hat. Dementsprechend groß ist die Verunsicherung hinsichtlich der IT-Sicherheit in der Lieferkette. 31 Prozent der Betriebe treibt die Sorge um, dass ihre Zulieferer nicht dieselben hohen Sicherheitsstandards einhalten wie sie selbst und dadurch zu einem gefährlichen Einfallstor für Angreifer werden.

„Es geht nicht darum, Lieferanten als Risiko zu sehen. Entscheidend ist die Erkenntnis, dass unsere Vernetzung unsere größte Stärke und gleichzeitig unsere größte Verwundbarkeit ist“, betont KPMG-Partner Andreas Tomek.

Digitale Souveränität als Antwort auf Cyber-Attacken

Digitale Souveränität – so der Bericht weiter – sei ein Eckpfeiler wirksamer Cybersicherheit: Nur wer Kontrolle über Daten und Infrastruktur behalte, könne Abhängigkeiten reduzieren und im Ernstfall handlungsfähig bleiben. Laut Studie sind jedoch 70 Prozent der Unternehmen stark von digitalen Technologien aus dem Ausland abhängig, 69 Prozent beziehen Cybersicherheitsanwendungen von dort – und mehr als die Hälfte könnte im Ernstfall nicht länger als drei Monate ohne diese auskommen.

Außerdem ende Cybersicherheit nicht bei technischen Schutzmaßnahmen: Fallen Cloud-Lösungen oder Plattformen plötzlich aus, geraten Unternehmen schnell in reale Existenzprobleme. Andreas Tomek dazu: „Für digitale Souveränität ist es notwendig, dass Unternehmen ihre strategische Ausrichtung neu denken und Abhängigkeiten klar identifizieren und analysieren.“

Staat doch gefragt

All dies sowie steigende Komplexität und Dynamik der Bedrohungslage führen den Autoren zufolge zu einer zentralen Erkenntnis: Cybersicherheit sei nicht länger ein optionales Investitionsthema, sondern eine Voraussetzung für stabile Geschäftsmodelle in einer digitalisierten Wirtschaft.

Unternehmen sehen hierbei den Staat zunehmend als aktiven Partner in Sachen Cybersicherheit: „Wir brauchen nicht nur das Miteinander von Unternehmen, Behörden sowie Forschungs- und Technologieeinrichtungen auf nationaler Ebene: Vielmehr braucht es eine gemeinsame europäische Kraftanstrengung in einem geopolitisch volatilen Umfeld, um die digitale Sicherheit von Unternehmen zu unterstützen“, sagt Michael Höllerer, Präsident des KSÖ (Kompetenz­zentrum Sicheres Österreich) und aktuell noch Generaldirektor von Raiffeisen NÖ-Wien.

„Eine Welt, in der wir den Angreifern gezeigt haben, wie schnell verwundbar wir sind“

Und Robert Lamprecht ergänzt: „Es ist eine Welt, in der wir den Angreifern gezeigt haben, wie schnell wir heute verwundbar sind. Im Wettlauf gegen die Cyberkriminellen sind wir um viele Plätze zurückgefallen, und das Momentum liegt eindeutig auf der Seite der Angreifer. Angriffe werden dort erfolgreicher, wo Verteidigung zu spät, zu langsam oder zu bequem ist. Das ist kein Grund für Alarmismus, aber ein guter Grund für Cybersecurity. Wer hier noch auf Zeit spielt, wird irgendwann überholt. Nicht die Bedrohung ist neu. Neu ist nur die Geschwindigkeit. Die entscheidende Frage für Unternehmen lautet heute nicht mehr, ob sie in Cybersicherheit investieren sollen, sondern ob sie es sich leisten können, es nicht zu tun.“

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