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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Lilly Eichinger, Gründerin und CEO von Satellives: Der erste Flug ihres modularen Satelliten ist für Q1 2029 geplant. | (c) brutkasten / Haris Dervisevic

Wer heute im All etwas anderes vorhat als Erdbeobachtung oder Kommunikation, stößt schnell an eine Wand. „Wenn du irgendetwas im All machen willst, egal ob Experimente, Manufacturing, Datenspeicherung oder eine Plattform für Quantenkommunikation, dann hast du keine Infrastruktur“, sagt Lilly Eichinger, Gründerin und CEO von Satellives. „Es gibt kaum Plattformanbieter.“ Bisher führe der Weg für solche Missionen im Wesentlichen über die ISS. Deren Betrieb soll 2030 enden, kommerzielle Nachfolgestationen sind in Entwicklung, aber noch keine im Regelbetrieb.

In diese Lücke will das Tullner Startup. Der Ausgangspunkt war das Ergänzungsstudium Extended Studies on Innovation am Innovation Incubation Center (i²c) der TU Wien, wo Eichinger die Idee entwickelte. Kunst und Philosophie hatte sie vor ihrem Physik- und Architekturstudium in Wien studiert.

Der Leporello-Satellit

Das Produkt ist ein flacher Satellit, der aus einzelnen Einheiten besteht: den Tiles, jede fünf Zentimeter hoch und etwa so groß wie eine Pizzaschachtel. „Es sieht aus wie Kacheln, im Grunde wie Solarpaneele, die sich im Orbit entfalten“, sagt sie. „Aber es sind keine Solarpaneele. Es sind voll funktionsfähige Satelliten.“

Der Kniff steckt im Scharnier. Die Einheiten sind verbunden und übereinander gestapelt, ähnlich einem Leporello. Gestapelt passen sie in einen handelsüblichen CubeSat-Dispenser, was die Startkosten drückt. Im Orbit entfalten sie sich zu einer langen Kette: „Wir nennen sie Mosaics Satellites.“

Ein Mosaic von Satellives | (c) Satellives

Der technische Kernclaim betrifft Energie. Pro Einheit könne man bei gleichem Gewicht viermal so viel Energie speichern wie ein durchschnittlicher CubeSat, sagt Eichinger. Der Wert beruht auf eigenen Berechnungen und ist im Flug nicht demonstriert. „Das Einzige, was es im All unbegrenzt gibt, ist Energie.“ Nur lasse sie sich kaum nutzen: Bei CubeSats sei nicht das Einsammeln das Problem, sondern der fehlende Platz für Batterien. Wer energiehungrige Missionen fliegen wolle, habe deshalb nur schlechte Optionen. „Entweder du baust einen 50-Millionen-Dollar-Satelliten, was fast niemand kann, oder du kannst es nicht.“

Dazu kommt Modularität. „Die meisten Satelliten sind One-Trick-Ponys“, sagt Eichinger. An die Plattform lassen sich dagegen Produktionsboxen andocken. Zwei Tiles würden nach ihrer Rechnung reichen, um einen kleinen 3D-Drucker dauerhaft zu versorgen und gleichzeitig als Plattform für Quantenkommunikation oder Datenspeicherung zu dienen.

Flache Satelliten an sich sind nicht neu, das räumt Eichinger ein: Starlink stapelt sie längst, weil sich so Startkosten sparen lassen. Neu sei die Kombination aus flachem Formfaktor und echter Modularität. Das Patent dafür ist nach ihren Angaben bei der WIPO und in Österreich angemeldet, zunächst bewusst auf ihren Namen und nicht auf die Gesellschaft. Ende Juli wurde es an die Gesellschaft übertragen. Ab einem gewissen Punkt, sagt sie, mache staatsnahe oder fremdgehaltene IP ein Unternehmen für Investor:innen unattraktiv.

Gegen den Hype

Rechenzentren im Orbit sind für Satellives selbst ein Zielmarkt. Beim Hype darum bremst Eichinger trotzdem. „Alle sagen: Bringt die Datenspeicher ins All, dort ist es kalt. So funktioniert das nicht.“ Kühlung sei auch oben nötig. Wäre das der einzige Punkt, sagt sie, bräuchte es den Orbit gar nicht: „Warum bringt man die Daten dann nicht in die Arktis? Dort kann man sie kühlen.“ Der größte Engpass sei das Wärmemanagement: Im Vakuum lasse sich ein Rechenzentrum nur schwer kühlen. Dazu kämen Verarbeitung und Downlink per Laserkommunikation, beides brauche kontinuierlich hohe Energie. Ein riesiges und künftig sehr relevantes Geschäftsfeld sei es dennoch.

Satellives-Gründerin Lilly Eichinger im Gespräch mit brutkasten-Chefredakteur Martin Pacher. (c) brutkasten / Haris Dervisevic

Verglühen lassen will sie nichts. „Wir planen, zu 100 Prozent nachhaltig zu operieren.“ Der übliche Wiedereintritt am Missionsende erzeuge giftige Gase. „Okay, nicht ein einzelner CubeSat. Aber wenn es eine Million sind oder zehntausend im Jahr, dann summiert sich das.“ Beschädigte Tiles sollen stattdessen über einen Reentry-Service zurückkommen und recycelt werden.

Kapitalbedarf

Firmensitz ist Tulln, weil Satellives über das AplusB-Scale-up-Programm vom accent Inkubator begleitet wird, bis Ende Januar 2027. Das Headquarter soll langfristig in Wien liegen. Das Kernteam umfasst laut Website vier Personen: neben Eichinger als CEO ein Technical Co-Founder, ein Operations Co-Founder und eine weitere Person im Bereich Operations.

Der Kapitalbedarf: rund 1,6 Millionen Euro für 18 Monate. Die Hälfte davon soll aus Förderungen und von Business Angels kommen. „Wir arbeiten da gerade wirklich zehn Stunden am Tag dran“, sagt Eichinger. Erst mit dem Geld könne man Ingenieur:innen einstellen und vom Prototyping in den echten Bau wechseln. Dazu sucht das Startup 25.000 bis 50.000 Euro für die Patentanmeldung in weiteren Ländern.

Das Ziel: zwei Einheiten, erste On-Orbit-Demonstration in Q1 2029, die bereits Pilotkund:innen bedienen soll. Das Fernziel formuliert sie größer. „Österreich kann für Space das werden, was Estland für die Digitalisierung ist. Es ist ein kleines Land, niemand hätte erwartet, dass Estland zum digitalen Hub wird. Aber sie sind es geworden, und sie rocken es.“

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