Quantencomputer versprechen, bisher nicht lösbare Problemstellungen effizient lösen zu können. Doch wie soll das funktionieren? Diese Frage lässt sich durch Betrachten der Unterschiede zwischen Quantenprozessoren und herkömmlichen Computern erklären: Quantencomputer nutzen die Gesetze der Quantenmechanik und arbeiten mit Qubits, klassische Computer hingegen mit Bits. Der Vorteil von Qubits ist, dass sie nicht nur die Werte 0 oder 1 annehmen können, sondern durch die Überlagerung von Quantenzuständen auch jede beliebige Kombination aus beidem zulassen. Dadurch sind Quantencomputer erheblich leistungsfähiger und bieten die Möglichkeit, Aufgaben in Echtzeit zu lösen, die selbst durch heutige Supercomputer nicht machbar sind. 

Fortschritte bei der Hardware

Quantencomputing ist aufgrund der perspektivisch vielen Anwendungsmöglichkeiten ein sehr interessantes Gebiet, das in Deutschland bereits eine lange wissenschaftliche Tradition in der Quantenphysik hat. Seit Jahren zählt Deutschland in der Grundlagenforschung auf diesem Gebiet zur internationalen Spitze. Größere Institute und Forschungseinrichtungen wie das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF widmen sich der Entwicklung verschiedener Quantentechnologien. Beispielsweise werden neue Architekturen und Technologien wie supraleitende Qubits erforscht. Bei dieser Technologie sollen Quantenbits durch widerstandslos fließende Ströme in supraleitenden Schaltkreisen realisiert werden. Der Vorteil dieser Ströme ist, dass sie relativ robust gegenüber äußeren Störeinflüssen sind und die Quanteneigenschaften deshalb über einen längeren Zeitraum beibehalten können.

Die Anwendungsentwicklung

Im alltäglichen Gebrauch sind die Quantencomputer trotz aller Erwartungen und Forschungen noch nicht angekommen. Aber: Es existiert bereits eine wachsende Zahl von Anwendungen, die sich für den Einsatz auf Quantencomputern im industriellen Bereich eignen, insbesondere im Bereich der Materialwissenschaften und der Optimierung. Hier kommen sogenannte Quantenalgorithmen zum Einsatz, die dabei helfen, komplexe Optimierungsaufgaben zu lösen. Einige Unternehmen nutzen diese beispielsweise, um Anwendungen für den Einsatz im Energiebereich und in der Logistik – speziell an adaptiven Lieferketten – zu entwickeln. 

Damit solche Anwendungen real werden können, werden spezielle Algorithmen für die Berechnung systematischer Qualitätssicherung eingesetzt. Aufgrund der Art und Weise, wie die Qubits auf diese Algorithmen reagieren, lassen sich viel mehr Variablen gleichzeitig auswerten als von einem Supercomputer. Aus diesem Grund ist die Entwicklung von Algorithmen, die speziell für den Einsatz auf Quantencomputern optimiert sind, ein wichtiger Bereich der Quantencomputing-Forschung. Diese Algorithmen können bei bestimmten Anwendungen deutlich schneller und effizienter sein als klassische Algorithmen.

Neben der Entwicklung von Algorithmen arbeitet die Quantencomputing-Community zudem an der Erarbeitung von Standards für die Programmierung, den Austausch von Algorithmen und das Benchmarking von Quantencomputern, um die Interoperabilität und Vergleichbarkeit zu verbessern.

Transformationspotenziale für die Industrie

Da Quantencomputer in der Lage sind, eine Vielzahl an Lösungswegen parallel zu berechnen, haben sie das Potenzial, Datenanalyse um ein Vielfaches schneller zu betreiben. Dieses Potenzial der Quantentechnologie wird insbesondere im Bereich Maschinelles Lernen oder auch Künstlicher Intelligenz zum Tragen kommen und die Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis tiefgreifend verändern. Denn, während trotz fortschrittlicher Rechenleistung von klassischen Computersystemen viele Aufgaben rund um Künstliche Intelligenz nach wie vor mit erheblichem Zeitaufwand verbunden sind, können Quantencomputer Muster und Zusammenhänge sehr schnell und auf effiziente Art und Weise erkennen. Besonders interessant und bereits gut getestet sind die Bildanalyse und Bildinterpretation mit quantenneuronalen Netzen. Speziell die Industrie kann diese Technologie nutzen, um beispielsweise die Qualitätssicherung und -optimierung in der Produktion zu verbessern oder die Effizienz in der Logistik und hinsichtlich der Lieferkette zu erhöhen. Dadurch ließe sich auch der Einsatz von Ressourcen optimal berechnen.

Die Quantensensorik

Quantencomputing hat das Potenzial, Unternehmen zu revolutionieren und ihre Wettbewerbsposition zu stärken.

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Die Quantentechnologie verschiebt die Grenzen des Machbaren aber nicht nur im Bereich der Datenanalyse und -verarbeitung, sondern auch im Bereich der Sensorik-Anwendungen. Quantensensoren können generell alle physikalischen Größen wie etwa Zeit, Druck, Temperatur, elektrische Ströme und Beschleunigung mit einer Genauigkeit messen, die mit Sensoren der heutigen Technologie nicht erreicht werden können. 
Es gibt bereits bahnbrechende neue Entwicklungen aus Deutschland, zum Beispiel vom Quantensensorik-Pionier Quantum Technologies. „Bisher benötigten hochsensitive Messungen von Magnetfeldern große Aufbauten und hatten hohe Leistungsaufnahmen. Auch bei den Messungen gab es immer wieder Probleme: Es wurde Mikrowellenstrahlung zur Messung der Felder benötigt und Bauteile erhitzten sich dadurch selbst“, erklärt Dr. Robert Staacke von Quantum Technologies. „Diese Probleme konnten wir durch unser neues kompaktes, rein optisches und kühlungsloses Quantenmagnetometer lösen, das für den industriellen Einsatz im Maschinen- und Anlagenbau ebenso geeignet ist wie in der Medizintechnik oder Hochspannungstechnik.“ 

Je mehr Unternehmen durch innovative Technologie wie diese von Quantensensorik profitieren können, desto schneller wird sich Quantentechnologie durchsetzen können. Derzeit erforschte Anwendungen schließen beispielsweise im Elektronikbereich die Sichtbarmachung einzelner Bits in elektronischen Speichermedien ein. In der medizinischen Diagnostik ist es zum Beispiel das Ziel, mithilfe von Quantensensorik einen Blick in die winzigen Magnetfelder von Herz und Gehirn zu erhalten. Im Automobilbereich arbeiten große Hersteller seit längerem daran, Quantensensoren für die Steuerung autonomer Fahrzeuge oder den Bau leistungsfähiger Batterien für E-Autos herzustellen. 

Optimierung von Verkehrsströmen

Der Autor: Christian Reinwald ist Head of Product Management und Marketing bei Reichelt Elektronik in Sande.

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Quantencomputing ist zudem besonders geeignet, um Verkehrsflüsse im Straßenverkehr zu optimieren. Ein Quantencomputer kann komplexe Berechnungen durchführen und dadurch schneller und effizienter Routen für Fahrzeuge und Flugzeuge in Echtzeit berechnen. Die Industrie kann diese Technologie nutzen, um beispielsweise auch hier die Lieferketten zu optimieren oder die Verkehrsbelastung in Städten zu reduzieren. Paketzusteller könnten dadurch ihre Routen optimal planen. Bei der Optimierung von Verkehrsströmen profitiert darüber hinaus neben der Industrie auch jeder Einzelne durch mehr Zuverlässigkeit im Straßen- und Zugverkehr in Echtzeit.

Simulation chemischer Reaktionen

Ein weiterer Trend im Quantencomputing ist die Simulation chemischer Reaktionen. Ein Quantencomputer kann die Wechselwirkungen von Atomen und Molekülen simulieren und auf diese Weise die Entwicklung neuer Materialien und Medikamente beschleunigen. Die Industrie kann diese Quantenchemie oder auch Materialforschung nutzen, um beispielsweise die Materialentwicklung für die Automobil- oder Luftfahrtindustrie zu optimieren. Quantencomputing kann künftig eventuell neue Moleküle, Materialien und deren Eigenschaften simulieren wie etwa neue Lösungsmittel zum Rückgewinnen von Kohlendioxid.

Hand in Hand

Die Beispiele zeigen, dass aktuelle Trends im Quantencomputing viele Anwendungsmöglichkeiten in der Industrie bieten – und, dass die Technologie das Potenzial hat, die Art und Weise zu transformieren, wie Unternehmen arbeiten und sich gegenüber Wettbewerbern abgrenzen. Doch sind sie deshalb die Heilsbringer der Zukunft? 

Das langfristige Ziel, einen universellen Quantencomputer zu entwickeln, der schwierige Rechenprobleme exponentiell schneller als ein klassischer Computer berechnet, liegt auf jeden Fall noch in der Zukunft. Eine geeignete Architektur zur Berechnung praxisrelevanter Herausforderungen kann aber durch eine grundlegende Verbesserung sowohl der Hard- als auch der Software realisiert werden. Realistisch ist auch, dass Quantencomputer erst einmal herkömmliche Computer nicht vertreiben werden, sondern vielmehr in der Anwendung ergänzen, um dort auszuhelfen, wo der Bedarf über die heutige Technologie hinaus geht. Dabei befindet sich Deutschland mit vielen Forschungsansätzen und -arbeiten in einer Vorreiterrolle.