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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Goldene Houskapreis-Statue, Foto: Alexander Müller

Gute Forschung entsteht in Österreich viel. Was seltener gelingt, ist der Schritt danach: dass aus einer Erkenntnis ein Produkt wird, ein Verfahren, ein Unternehmen. Genau an dieser Schnittstelle setzt der Houskapreis der B&C Privatstiftung an. Ausgezeichnet werden Projekte, die wissenschaftliche Qualität mit konkreter wirtschaftlicher Wirkung verbinden. Mit einem Gesamtpreisgeld von 760.000 Euro ist er Österreichs größter privater Preis für anwendungsnahe Forschung.

Nun geht der Preis in seine 22. Runde. Die Einreichphase für den Houskapreis 2027 ist im September gestartet und läuft bis einschließlich 28. Oktober 2026. Eingereicht wird ausschließlich online unter www.houskapreis.at.

Warum der Fokus auf Anwendung? Erich Hampel, Vorstandsvorsitzender der B&C Privatstiftung, erklärt es so: „Forschung und Innovation sind wesentliche Voraussetzungen für die Wettbewerbsfähigkeit eines Landes. Gerade in einem zunehmend technologiegetriebenen internationalen Umfeld wird es für Österreich entscheidend sein, wissenschaftliche Erkenntnisse erfolgreich in die wirtschaftliche Praxis zu überführen. Dafür braucht es wissenschaftliche Exzellenz ebenso wie unternehmerisches Denken und den Austausch zwischen Wissenschaft und Wirtschaft. Mit dem Houskapreis zeichnen wir Projekte aus, die diese Verbindung erfolgreich herstellen und wirtschaftliche Wirkung entfalten.“

Forschungspreis in drei Kategorien

Vergeben wird der Houskapreis 2027 in den Kategorien Hochschulforschung, Außeruniversitäre Forschung sowie Forschung & Entwicklung in KMU. Teilnahmeberechtigt sind österreichische staatliche und private Universitäten inklusive Fachhochschulen, Christian Doppler Labors, die Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW), das Institute of Science and Technology Austria (ISTA), heimische außeruniversitäre Forschungseinrichtungen sowie kleine und mittlere Unternehmen. Gemeinsame Voraussetzung: Die wesentlichen Forschungsleistungen müssen in Österreich erbracht worden sein.

Auch der Houskapreis 2027 wird im Rahmen einer feierlichen Preisverleihung vergeben, am 20. April 2027 in Wien | (c) Alexander Müller

Wie weit ein Projekt sein muss, hängt von der Kategorie ab. In der Hochschulforschung reicht es, wenn die wirtschaftliche Umsetzung unmittelbar bevorsteht oder bereits erfolgt ist. In der außeruniversitären Forschung muss sie schon passiert sein. Bei KMU muss das Projekt zusätzlich abgeschlossen sein und bereits Umsätze am Markt erzielen.

Was KMU wissen müssen

Für Unternehmen gelten klare Voraussetzungen. Sie müssen der KMU-Definition von EU und FFG entsprechen, ihren Firmensitz und ihre wesentlichen Forschungsaktivitäten in Österreich haben, maximal 249 Mitarbeiter:innen beschäftigen und einen Jahresumsatz von höchstens 50 Millionen Euro ausweisen. Außerdem müssen sie seit mindestens zwei Jahren bestehen, also vor dem 31. Dezember 2024 im Firmenbuch eingetragen worden sein, und dürfen in keinem Beteiligungsverhältnis zur B&C-Gruppe stehen.

Die Kategorie steht auch jüngeren Unternehmen offen, sofern sie die genannten Voraussetzungen erfüllen. Entscheidend ist, dass das Unternehmen seit mindestens zwei Jahren besteht und mit seiner Innovation schon Umsätze erzielt. Wie realistisch die Chancen sind, hat der Vorjahresjahrgang gezeigt: Alle drei Nominierungen in der KMU-Kategorie gingen an heimische innovative Unternehmen, den ersten Platz holte sich das Linzer Unternehmen sendance.

Bewertung und Einreichung

Die Bewertung erfolgt in einem zweistufigen Verfahren durch Fachbeiräte pro Kategorie und eine international renommierte Jury aus Wirtschaft und Wissenschaft. Gewichtet wird dabei je nach Kategorie unterschiedlich: Bei der Hochschulforschung zählt die wissenschaftliche Qualität am meisten, bei KMU der wirtschaftliche Erfolg, der mit 40 Prozent in die Bewertung einfließt.

Vier Trophäen, vier Auszeichnungen: Der Houskapreis 2027 wird in drei Kategorien vergeben, dazu kommt der mit 10.000 Euro dotierte Mariella-Schurz-Preis, über den eine Oberstufenklasse entscheidet. | (c) Alexander Müller

Für die Einreichung braucht es je ein einseitiges Abstract auf Deutsch und Englisch sowie ein Dossier von maximal zehn Seiten. KMU dürfen das Dossier auf Deutsch oder Englisch verfassen, in den beiden anderen Kategorien ist Englisch vorgeschrieben. Hochschulen legen mindestens einen Letter of Intent eines Wirtschaftspartners bei, außeruniversitäre Einrichtungen mindestens einen Kooperationsnachweis. In allen Anträgen ist zudem der Beitrag zu den SDGs zu beschreiben.

Preisgeld und Termine

Pro Kategorie werden drei Projekte nominiert, und alle drei gehen mit Preisgeld nach Hause: 150.000 Euro für den ersten Platz, 70.000 Euro für den zweiten, 30.000 Euro für den dritten. Die Erstplatzierten bekommen von der B&C Privatstiftung zusätzlich die goldene Houskapreis-Statue überreicht.

Darüber hinaus vergibt die B&C Privatstiftung den mit 10.000 Euro dotierten Mariella-Schurz-Preis an eines der nominierten Projekte, das eine Oberstufenklasse auswählt. Die Preisgelder gehen an die Institutionen und kommen dort weiteren Forschungsarbeiten zugute.

Die Nominierten werden im Februar 2027 bekannt gegeben, die Verleihung findet am 20. April 2027 in Wien statt. Wer sich vorab informieren will, hat am 5. Oktober 2026 um 14 Uhr bei einer weiteren Online-Informationsveranstaltung Gelegenheit dazu, Anmeldung unter [email protected]. Im Vorjahr gingen die ersten Plätze an die TU Wien, das AIT Austrian Institute of Technology und das Unternehmen sendance. brutkasten hat über die neun Nominierungen für den Houskapreis 2026 berichtet.

Einreichung: bis 28. Oktober 2026 unter www.houskapreis.at
Kontakt: [email protected]

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