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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Movevo, movevo4kids, Bewegung in Volksschulen
(c) motion4kids - Die Klasse bewältigt gemeinsam Bewegungschallenges und Aufgaben.

Movevo ist ein Villacher Startup, das eine App entwickelt hat, die Bewegung und Gesundheit spielerisch in den Arbeitsalltag integrieren und zu gemeinsamen Pausen im Team animieren soll – brutkasten berichtete. Die App wird in zwei Versionen angeboten: Move App für Unternehmen (betriebliche Gesundheitsförderung) und movevo4kids für Kinder bzw. Schulen (angepasstes Konzept: Lehrpersonen bekommen die App und machen die digitalen Übungen mit der Klasse). Nun ist man Teil der kostenlosen Initiative “Servus bewegt Kinder – Die Bewegte Schule”. Daran nehmen österreichweit 100 Volksschulen teil – mehr als 16.000 Kinder in über 784 Klassen sollen von dem Bewegungsprogramm profitieren, welches auch die Webapp von movevo4kids umfasst.

Movevo: Gamification-Ansatz im Schulalltag

Ziel ist es, dem zunehmenden Bewegungsmangel bei Kindern entgegenzuwirken und Gesundheit spielerisch im Schulalltag zu fördern. Movevo-Geschäftsführer und Founder Michael Omann dazu: “Turnstunden sind wichtig. Aber wir wollen Bewegung in kurzen Einheiten zu einem fixen Bestandteil des Unterrichts machen.”

Oft fehlen im Unterricht die nötigen Ressourcen, den Schülerinnen und Schülern ausreichend Bewegung zu ermöglichen. Mit der Anwendung von movevo4kids sollen Lehrerinnen und Lehrer einen aktiven Unterricht gestalten. Die Klasse wird dabei durch die von Expertinnen und Experten entwickelten Übungen, spielerisch zum Mitmachen motiviert. Dabei fördere man die Konzentration und Leistung der Kinder und verbessere so die Unterrichtsqualität. Die kurzen (fünf bis zehn Minuten) und flexibel einsetzbaren Bewegungseinheiten sind dazu gedacht, den Turnunterricht im Schulalltag zu ergänzen.

Denn, jedes dritte schulpflichtige Kind ist übergewichtig und nur zwei von zehn Kindern erfüllen die WHO-Empfehlung von einer Stunde Bewegung pro Tag. Das zeigen die alarmierenden Zahlen des aktuellen Gesundheitsberichts vom Gesundheitsministerium. Bewegungsmangel ist eine der Hauptursachen für chronische und psychische Krankheiten und führt in weiterer Folge zu enormen Kosten für das Gesundheitssystem.

“Es muss nicht immer eine volle Stunde Bewegung sein”

“Wir brauchen eine neue Bewegungskultur und mehr Bewegungsbewusstsein in Österreich. Es muss nicht immer eine volle Stunde Bewegung sein, schon kurze aktive Pausen sind wirksam. Die Auswirkungen von zu wenig Bewegung wie Übergewicht sind bereits deutlich sichtbar. Hier darf die Politik nicht länger wegschauen“, so Omann weiter.

Öffentliche und private Volksschulen aus ganz Österreich konnten sich im Oktober über ein Online-Formular für das Projekt anmelden. Das Paket umfasst neben Bewegungsmaterialien und Webinaren zur Bewegungsförderung, Zugänge zu den digitalen Abenteuerwelten von movevo4kids, Break it Kids und Sport-attack. Das Programm wird den Schulen für das Schuljahr 2024/25 zur Verfügung gestellt.

Auszeichnung für Movevo

Abseits der Teilnahme an dieser Initiative belegte die movevo4kids-App diese Woche bei dem “ausgezeichnet regional“-Award in Klagenfurt den zweiten Platz in der Kategorie “Gesundheit & Pflege”. Die zugehörige App für betriebliche Gesundheitsförderung Movevo erreichte den dritten Platz in der Rubrik “Kärnten Digital”.

“Wir freuen uns besonders über die Auszeichnung für movevo4kids und sehen den Award als Bestätigung, dass wir mit unserer Vision auf dem richtigen Weg sind, Kinder auf spielerische Weise zu mehr Bewegung zu motivieren”, sagt Omann.

Die kostenlose Bewegungs-Initiative für 100 Volksschulen in Österreich im Schuljahr 2024/25 wird von der Bildungsstiftung motion4kids in Kooperation mit Red Bull Media House und der Täglichen Bewegungseinheit umgesetzt. Movevo4kids ist Partner des Projekts und stellt dafür die innovativen digitalen Inhalte zur Verfügung.

“Es freut uns sehr, dass Volksschulen aus allen neun Bundesländer vertreten sind”, sagt Marion Kanalz, COO und Co-Founderin von Movevo. “Mit movevo4kids wollen wir allen Kindern positive Bewegungserfahrungen ermöglichen und langfristig zu einem gesunden Lebensstil beitragen.”

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