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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European Innovation Act
© European Commission

Europa verfügt über eine starke Forschungslandschaft sowie über qualifizierte Fachkräfte und innovative Unternehmen. Gleichzeitig bestehen innerhalb der EU unterschiedliche regulatorische Rahmenbedingungen, und der Zugang zu Finanzierungen kann für innovative Unternehmen eine Herausforderung darstellen. Dadurch werden in Europa entwickelte Innovationen nicht immer in Europa weiterentwickelt und wirtschaftlich genutzt. Der nun von der EU-Kommission vorgeschlagene European Innovation Act soll dazu beitragen, diese Rahmenbedingungen zu verbessern und Unternehmen dabei zu unterstützen, grenzüberschreitend zu wachsen und international wettbewerbsfähig zu werden.

Zugang zu Finanzierung und Vergabeverfahren

Der Vorschlag setzt im Prinzip an zwei zentralen Herausforderungen für Innovationen in Europa an: dem Zugang zu Finanzierung und der stärkeren Nutzung öffentlicher Beschaffung.

Erstens soll der Zugang zu Finanzierungen für innovative Unternehmen erleichtert werden. Viele Startups und Scaleups verfügen über Patente, geistiges Eigentum und andere immaterielle Vermögenswerte. Deren Bewertung kann jedoch komplex sein und den Zugang zu Investitionen erschweren.

Der Vorschlag sieht daher einen gemeinsamen EU-Rahmen für die Bewertung von geistigem Eigentum vor. Zudem soll ein digitaler Marktplatz geschaffen werden, der Anbieter und Interessenten für geistiges Eigentum zusammenbringen und Unternehmen durch fachliche Unterstützung bei der Vermarktung ihrer Innovationen unterstützen soll.

Nach Angaben der Kommission könnten diese Maßnahmen die Verwaltungskosten um rund 35 Mio. Euro senken und zusätzliche Finanzierungen von bis zu 10,2 Mrd. Euro pro Jahr über IP-gestütztes Risiko- und Fremdkapital ermöglichen.

F&E-Aufträge

Zweitens soll ein gemeinsames Verfahren für die Vergabe von Forschungs- und Entwicklungsaufträgen (F&E) eingeführt werden. Dieses soll für mehr Rechtssicherheit sorgen und dazu beitragen, neue Technologien schneller zur Marktreife zu bringen. Dazu zählen auch Technologien, die zur Bewältigung gemeinsamer gesellschaftlicher Herausforderungen etwa in den Bereichen Gesundheit, Bildung und saubere Mobilität beitragen können. Zudem soll die gemeinsame Durchführung von F&E-Aufträgen durch öffentliche Auftraggeber aus verschiedenen Mitgliedstaaten erleichtert werden.

Nach Angaben der Kommission könnten diese Maßnahmen zu Einsparungen von rund einer Milliarde Euro pro Jahr bei öffentlichen Auftraggebern führen und zusätzliche jährliche Gewinne von 25,92 Mrd. Euro für Unternehmen ermöglichen. Nach Einschätzung der Kommission könnte zudem das EU-BIP im zehnten Jahr um 0,24 bis 0,42 Prozent über dem Niveau (Anm.: ohne die Maßnahmen) liegen. Im selben Zeitraum könnten – so die Erwartung – bis zu 507.000 zusätzliche Arbeitsplätze entstehen.

„Mit dem Europäischen Innovationsgesetz gehen wir der Fragmentierung direkt entgegen: einen Rahmen für die Bewertung von Rechten des geistigen Eigentums, einen digitalen Marktplatz, der Käufer und Verkäufer verbindet, und einen einfacheren Weg für die Vergabe öffentlicher Aufträge für Spitzenforschung und -entwicklung. Und das ist erst der Anfang. Bis 2028 werden wir einen echten Binnenmarkt schaffen, in dem Ideen schneller skalieren, Finanzen freier zirkulieren und die strategische Autonomie Europas gestärkt wird. Das ist das Europa, das wir aufbauen“, sagt Ekaterina Sacharieva, EU-Kommissarin für Startups, Forschung und Innovation.

EU-Referenzrahmen für Reallabore

Parallel – und separat zum European Innovation Act zu sehen – möchte die Kommission Innovator:innen zudem dabei unterstützen, neue Ideen schneller in marktfähige Lösungen zu überführen. Dazu ist ein Vorschlag für einen gemeinsamen Rahmen für regulatorische Reallabore vorgesehen.

Reallabore ermöglichen es Unternehmen, Forschungseinrichtungen und Behörden, neue Produkte, Dienstleistungen oder Technologien zeitlich begrenzt in einem kontrollierten Umfeld und unter Aufsicht der zuständigen Behörden zu erproben. Dadurch sollen Erfahrungen mit den geltenden regulatorischen Anforderungen gesammelt werden. Gleichzeitig erhalten Behörden Erkenntnisse darüber, wie bestehende Vorschriften auf neue Technologien angewendet werden können und ob gegebenenfalls Anpassungsbedarf besteht.

In einzelnen Bereichen des EU-Rechts gibt es bereits regulatorische Reallabore. Ein einheitlicher europäischer Ansatz besteht bislang jedoch nicht, sodass sich unterschiedliche Verfahren und regulatorische Rahmenbedingungen ergeben. Eine geplante Empfehlung des Rates soll daher einen gemeinsamen EU-Referenzrahmen für Reallabore in Bereichen schaffen, die bislang nicht durch entsprechende EU-Rechtsvorschriften abgedeckt sind. Dabei sollen Erfahrungen aus den Mitgliedstaaten und bestehenden EU-Initiativen einbezogen werden – mit dem Ziel, die Erprobung innovativer Lösungen zu erleichtern und gleichzeitig öffentliche Interessen zu berücksichtigen.


Zusammenfassung

Worum geht es?
Der European Innovation Act soll Hindernisse für Innovation abbauen, den Weg von der Forschung zum Markt beschleunigen und die Nutzung von geistigem Eigentum erleichtern.

Drei zentrale Maßnahmen

  • Bewertung von geistigem Eigentum: Ein EU-weiter Rahmen soll die Bewertung von Patenten und anderem geistigem Eigentum vereinheitlichen und dadurch den Zugang zu Finanzierung für innovative Startups erleichtern.
  • Digitaler Marktplatz: Eine digitale Plattform soll Käufer und Verkäufer von geistigem Eigentum zusammenbringen.
  • F&E-Beschaffung: Ein gemeinsames Verfahren für die öffentliche Beschaffung von Forschung und Entwicklung soll die Beschaffung und grenzüberschreitende Zusammenarbeit vereinfachen und die Entwicklung und Erprobung innovativer Lösungen fördern.

Erwartete Auswirkungen

  • 10,2 Mrd. EUR zusätzliche Finanzierung für Unternehmen pro Jahr durch die bessere Nutzung von geistigem Eigentum
  • 35 Mio. EUR jährliche Einsparungen bei Verwaltungskosten für Unternehmen durch eine harmonisierte Bewertung von geistigem Eigentum
  • 1 Mrd. EUR jährliche Einsparungen bei öffentlichen Auftraggebern durch effizientere FuE-Beschaffung und vereinfachte grenzüberschreitende Verfahren
  • 25,9 Mrd. EUR zusätzliche jährliche Gewinne für Unternehmen, die an FuE-Beschaffung beteiligt sind
  • 0,24–0,42 % erwarteter Anstieg des EU-BIP über die nächsten zehn Jahre
  • bis zu 507.000 zusätzliche Arbeitsplätze in der EU innerhalb der nächsten zehn Jahre

Quelle: Europäische Kommission, „European Innovation Act“, September 2026. Bei den genannten wirtschaftlichen Effekten handelt es sich um erwartete Auswirkungen.

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