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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Das Gründerteam von vioom: Lucia Studer und Ronny Türtscher | (c) vioom

Wer auf dem Land lebt, kennt das Problem: Der nächste Bus fährt erst in zwei Stunden und ohne eigenes Auto wird selbst der Weg zum Arzt oder zum Einkaufen zur Herausforderung. Diese Erfahrungen hat auch das Gründerteam des Vorarlberger Startups vioom gemacht. Sie kommen aus dem Großen Walsertal, wo öffentliche Verkehrsverbindungen teilweise nur im Zwei-Stunden-Takt angeboten werden.

„Wir haben als Jugendliche immer Autos gestoppt“, erzählt Mitgründer und Co-CEO Ronny Türtscher. Aus Bedarfserhebungen zur Mobilität in der Region, die Türtscher selbst begleitete, entstand schließlich die Idee zu vioom.

Hinter dem Startup steht die im Februar 2026 gegründete VAREO Innovations GmbH mit Sitz in Ludesch. Als CEOs fungieren Ronny Türtscher und Lucia Studer. Das Gründerteam bringt nach eigenen Angaben gemeinsam mehr als 20 Jahre Erfahrung in der Softwareentwicklung mit.

Personen- und Warentransporte gemeinsam organisieren

Vioom setzt auf sogenannte On-Demand-Mobilität: Fahrgäste können über eine App eine Strecke innerhalb eines festgelegten Gebiets buchen. Das System organisiert daraufhin ein verfügbares Shuttle. Anders als bei klassischen Anrufsammeltaxis sollen die Fahrzeuge zusätzlich regionale Waren transportieren. „Wir versuchen, die Ausnutzung so hoch wie möglich zu halten und diese Wege von A nach B mit mehreren Erlösströmen zu gestalten“, sagt Türtscher. So könnte ein Shuttle beispielsweise eine Gemüsekiste bei einem Bauernhof abholen, anschließend einen Fahrgast vom Bahnhof transportieren und die Ware danach bei einem Hotel abliefern.

Ziel ist es, Leerfahrten zu reduzieren und Fahrzeuge auch außerhalb der Stoßzeiten auszulasten. Gleichzeitig soll das Angebot bestehende Bus- und Bahnverbindungen ergänzen und insbesondere die sogenannte „First und Last Mile“, also den Weg zur beziehungsweise von der nächsten Haltestelle, abdecken. Durch die gemeinsame Nutzung der Fahrzeuge und eine bessere Anbindung an den öffentlichen Verkehr sollen zudem CO₂-Emissionen reduziert werden. Die Regionen entscheiden dabei selbst, wann Personen- beziehungsweise Warentransporte angeboten werden. Die Durchführung übernehmen beispielsweise regionale Taxiunternehmen. Vioom selbst stellt keine Fahrzeuge oder Fahrpersonal bereit, sondern liefert die Software und begleitet die Umsetzung.

Wie sich die regionale Mobilität rechnen soll

Mit seinem Geschäftsmodell richtet sich vioom an Gemeinden und Regionen. Diese zahlen je nach Modell eine monatliche Gebühr für die Nutzung der Plattform. Zusätzlich erhält das Startup eine Vermittlungsprovision für jede gebuchte Fahrt. Die Fahrgäste und Unternehmen bezahlen für die jeweiligen Personen- oder Warentransporte. Diese Einnahmen fließen grundsätzlich an die Regionen selbst. Die Abrechnung erfolgt vollständig automatisiert über die Plattform.

Durch die Kombination von Personenbeförderung und Warenlogistik sollen die Fahrzeuge besser ausgelastet und zusätzliche Einnahmen erzielt werden. Langfristig will vioom damit die Wirtschaftlichkeit regionaler Mobilitätsangebote verbessern und deren Abhängigkeit von öffentlichen Förderungen verringern.

Technologiepartnerschaft mit ioki

Für die technische Umsetzung arbeitet vioom mit dem Mobilitätstechnologie-Anbieter ioki zusammen. Das Unternehmen ist ursprünglich aus der Deutschen Bahn hervorgegangen und bietet Software für bedarfsgesteuerte Mobilitätsangebote an. Vioom nutzt Teile dieser Technologie und hat darauf aufbauend ein eigenes Logistikmodul entwickelt.

Die Partnerschaft soll auch die Skalierung erleichtern. Für jede Region wird zwar eine individuelle Mobilitätsanalyse durchgeführt, die anschließende Umsetzung erfolgt jedoch über eine standardisierte, anpassbare Plattform.

Eigenfinanziert und erste Pilotprojekte geplant

Bislang wurde vioom vollständig aus Eigenmitteln der CEOs finanziert, mit einem Stammkapital von 12.000 Euro. An der VAREO Innovations GmbH sind die LOONEY GmbH (gehört unter anderem Lucia Studer) mit 66,67 % und scale.out (gehört Ronny Türtscher) mit 33,33 % beteiligt. Für externe Investoren zeigt sich das Unternehmen grundsätzlich offen.

Die größte Herausforderung besteht laut Türtscher darin, erste Referenzprojekte umzusetzen und nachzuweisen, dass die Kombination aus Personen- und Warentransporten tatsächlich wirtschaftliche Vorteile bringt. „Viele Kunden fragen: Was habt ihr schon gemacht und was könnt ihr nachweisen?“, erzählt der Gründer.

Der erste Pilotbetrieb ist derzeit in Vorarlberg in Vorbereitung, ein konkreter Starttermin steht noch nicht fest. Parallel führt vioom Gespräche mit zwei Landkreisen und einer Stadt in Deutschland. Bis Ende 2027 will das Startup drei bis fünf Regionen an die Plattform angebunden haben. Zusätzlich sollen weitere Partnerschaften und Anwendungen, etwa im Tourismus, entstehen.

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