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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Foxyfitness
© Foxyfitness - (v.l.) René Giretzlehner, Florian Gschwandtner und Christian Kaar.

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Gschwandtner verkaufte vor rund einem Jahr zwei Drittel seines neuen Startups an seine ehemaligen Kollegen und es wurde ein neues Ziel ausgerufen: Ein KI-getriebenes App-Unternehmen aus Österreich zu erschaffen – brutkasten berichtete.

Zone5: Kamera erkennt Übungen

Nun und nach einer mehrwöchigen Beta-Phase stellt die Foxyfitness GmbH mit Zone5 eine neue App im Bereich Longevity vor. Die Anwendung nutzt Augmented Reality und Künstliche Intelligenz, um Übungen über die Smartphone-Kamera zu erkennen, zu zählen und in Echtzeit anzuleiten. Dafür sind weder Sensoren noch Wearables oder zusätzliche Hardware erforderlich.

„Zone5 ist ein Produkt wie die 100 Push-ups App„, erklärt Gschwandtner brutkasten gegenüber. „Eine Fitness-App, bei der die Kamera dein Coach wird, inklusive Trainingsplan.“

Die Kamera erkennt mehr als 30 Übungen (Seilspringen, Burpees etc.) automatisch, zählt jede Wiederholung und gibt Feedback. Die Workouts dauern fünf bis 30 Minuten und trainieren gezielt in zwei Intensitätsbereichen: in Zone 2 für die aerobe Grundlage und den Fettstoffwechsel, oder in Zone 5 für maximale Intensität und die Entwicklung der VO2max – jenem Wert, der – laut dem Foxyfitness-Team – in der Longevity-Forschung als einer der stärksten Marker für Gesundheitsspanne und Lebenserwartung gilt.

(c) Foxyfitness

Oder anders gesagt: „Als die maximale Menge an Sauerstoff in Millilitern, die ein Körper während einer körperlichen Belastung pro Minute und Kilogramm Körpergewicht aufnehmen und verwerten kann“.

Longevity-Gedanke kam aus Selbst-Analyse

„Der Longevity-Gedanke (Anm.: bei diesem Projekt) kam eigentlich aus der Selbst-Analyse. Ich beschäftige mich viel mit dieser Thematik“, erklärt Gschwandtner. „Es ist natürlich ein Trend-Thema, aber es geht nicht nur darum ’nur gesund‘ zu leben, sondern auch darum, die Lebenserwartung zu erhöhen und gesund älter zu werden. Heutzutage fangen Menschen ab 30 damit an. Man muss sich bloß ansehen, was im Bereich der Supplements, der Blutanalyse, in Longevity-Laboren oder beim IHHT-Training (Anm.: Intermittierendes Hypoxie-Hyperoxie) passiert.“

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Automatischer Trainingsplan und Zeitraffer

Zone5 bietet für Personen, die nicht selbst planen wollen, auch einen automatisierten 12-Wochen-Trainingsplan, bei dem die App Umfang, Intensität und Übungsauswahl wöchentlich festlegt und an den individuellen Fortschritt anpasst. Alle Trainingseinheiten werden mit Apple Health synchronisiert und können in ein bestehendes Gesundheits- und Trainingsprofil eingebunden werden.

Ein weiteres Merkmal ist die automatische Aufzeichnung jeder Trainingseinheit als Zeitraffer-Video, das lokal auf dem Smartphone gespeichert wird und Übungen, Wiederholungen sowie Trainingszone zeigt. Die Videos sind für das Teilen auf Plattformen wie TikTok, Instagram-Reels oder für Stories vorgesehen und sollen kurze Trainingseinheiten in ein sichtbares, teilbares Ergebnis verwandeln.

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„Die meisten Menschen wissen, dass Ausdauer und Kraft die besten Investments in ein langes, gesundes Leben sind. Woran es scheitert, sind nicht die Erkenntnisse, sondern Zeit, Ausrüstung und Anleitung. Genau da setzt Zone5 an: Du brauchst zehn Minuten, ein Smartphone und keinerlei Vorwissen – deine Kamera übernimmt den Rest“, sagt Gschwandtner, der sich des Erfolgs der App sicher ist und andeutet, was aus der Foxyfitness noch kommen wird.

„Ich glaube, es muss gar nicht alles so groß wie Runtastic werden“, sagt er. „Ich bin aber davon überzeugt, dass es eine sehr erfolgreiche App werden kann. Vor allem über eine mittelfristige Zeit, wenn wir noch die eine oder andere App im Fitnessbereich entwickeln und sich gutes Cross-Selling bzw. Symbiosen ergeben.“ Zone5 ist ab sofort im App Store und auf Google Play verfügbar.

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