Sie sind hier: HomeSteuerungsebeneIndustrie-PC

Simulatoren: Das Potenzial der Quantenrechner

Die Industrie kann zukünftig von der extremen Rechenstärke von Quantencomputern profitieren. Mit Simulatoren können sich Unternehmen schon heute gezielt mit der Technik vertraut machen, wie Philippe Duluc, CTO für die Bereiche Big Data und Security bei Atos, erläutert.

Simulatoren, Atos Bildquelle: © Atos

Herr Duluc, Quantenrechner gelten als die neuen Superrechner, die unsere Wirtschaft revolutionieren werden. Teilen Sie diese Ansicht?

Philippe Duluc: Auf jeden Fall, da Quantenrechner eine entscheidende Fähigkeit mitbringen. Sie führen spezielle Algorithmen exponentiell schneller innerhalb von Millisekunden oder Sekunden aus. Bisherige Supercomputer brauchen für solche variantenreichen Aufgaben viel länger oder steigen komplett aus. Im Prinzip lassen sich diese Berechnungen zwar auf einfache Weise lösen, der Rechenaufwand schnellt jedoch in die Höhe, sobald man eine gewisse Zahl von Variablen überschreitet.

Welche Einsatz-Szenarien gibt es?

Philippe Duluc: Solche Aufgabenstellungen finden Sie überall, weshalb sich heute das riesige Potenzial der Quantentechnik nur ansatzweise erahnen lässt. Die bereits laufenden Tests mit Quanten-Computern, etwa von Volkswagen zur Stauprognose in Peking, veranschaulichen die Praxistauglichkeit der Technologie. In dem konkreten Fall dienen die Bewegungsdaten von 10.000 Taxis dazu, deren Routen zu optimieren. Ähnliche Unmengen an Kombinationen und Lösungswegen weisen die Optimierung von Versorgungsnetzen in der Strom und Wasserversorgung, die Simulation des Faltvorgangs bei Proteinen, die Bildanalyse und Objekt-Erkennung sowie Optimierungsprozesse in IoT-Umgebungen und beim maschinellen Lernen auf.

... und im Industrie- und Automationssektor?

Philippe Duluc: Ihre Stärke, weit mehr Daten parallel zu bearbeiten als herkömmliche Rechner, können Quantenrechner insbesondere in einer Industrie-4.0-Umgebung ausspielen. Denken Sie etwa an vorausschauende Wartung für Steuerungs- und Kontrollsysteme in Kraftwerken und Fertigungsumgebungen. Informationen von Sensoren an Pumpen und Maschinen lassen sich heranziehen, um bereits vor dem Ausfall einer Komponente den Wartungsdienst zu informieren. Ein Quantenrechner kann solche Datenmengen schneller und effizienter verarbeiten. 

Philippe Duluc, Atos Bildquelle: © Atos

“Wer die Superrechner-­Revolution so früh wie möglich für seine Zwecke nutzt, ­profitiert von den kommenden Veränderungen”.

Können Sie kurz erklären, wie ein Quantenrechner funktioniert?

Philippe Duluc: Quantencomputer arbeiten mit Quantenbits, kurz Qubits. Diese weisen mehrere Zustände auf: ‚Null‘, ‚Eins‘ sowie beliebige viele dazwischen – man spricht hier von der Superposition. Hinzu kommt als zweiter Quanteneffekt die Verschränkung der Qubits in einem Register, wodurch sich deren Zustände überlagern. Das hat die Folge, dass sich eine Zustandsänderung eines Qubits auf alle verschränkten Qubits sofort und ortsunabhängig überträgt – und messen lässt. Diese Zustände lassen sich als Ergebnis der Berechnung in lesbare Werte von ‚1‘ und ‚0‘ übersetzen. Das Qubit-Register berechnet in der Überlagerung zahlreiche Möglichkeiten parallel, worauf letztendlich der Leistungsvorteil der Quantenrechner beruht. Als Träger der Qubits eignen sich Atome, Elektronen oder Photonen. Für das Speichern der Qubits kommen elektrische Schaltkreise in Frage, die in supraleitenden Mikrochips integriert sind. Die nötige Kühlung für den Supraleitungseffekt sowie die Ausstattung zum Er­schütterungsschutz machen die Technik jedoch sehr teuer. Unternehmen müssen für einen Quantenrechner mit zweistelligen Millionensummen rechnen.

Wer soll denn solche Summen für eine Technologie in die Hand nehmen, die noch nicht einmal serienreif ist?

Philippe Duluc: Keine Frage, der Preis schränkt den Kreis der Anwender stark ein. Alle Pro­tagonisten von Google, IBM, D-Wave ­Systems, Intel und Microsoft, die den Fortschritt in der Quantentechnologie vorantreiben, bauen eigene Prototypen. So hat Google erst Anfang März verkündet, an einem Prozessor zu arbeiten, der eine Rechenleistung von 72 Qubits bieten soll – die aktuelle Höchstmarke. Wann derart leistungsstarke Prozessoren in Massen verfügbar sein werden, kann Ihnen heute niemand genau sagen. Seriöse ­Schätzungen sehen die Marktreife von Quantenrechnern in frühestens fünf bis zehn Jahren. Über Cloud-Plattformen von Google und IBM besteht jedoch schon heute die Chance, dass sich der ­Nutzerkreis für Quantum-Computing vergrößert. 

Die zweite preiswerte Alternative stellen Quantensimulatoren dar, die auch wir mit der Atos QLM, der Quantum Learning Machine, bedienen. Sie verbindet einen ultrakompakten Rechner mit einer universellen Programmiersprache. So können Forscher und Techniker schon heute die Quantenanwendungen und -algorithmen der Zukunft entwickeln und testen. Wir bieten Systeme mit 30 bis 40 Qubits an, die für Quantensimulationen auf 1 bis 24 Terabyte Arbeitsspeicher zurückgreifen können. Künftig werden Simulationsplattformen für verschiedene Nutzergruppen an Bedeutung gewinnen. 

Für wen und warum sind solche Simulationsplattformen interessant und wichtig?
Eine Simulationsplattform gibt schon heute Ingenieuren, Software-Spezialisten, Forschern und Studierenden die Möglichkeit, sich mit der Technik von Quantenrechnern vertraut zu machen und vor allem Anwendungen zu entwickeln. 
Es geht schließlich nicht nur darum, die Hardware zu verbessern, sondern auch Algorithmen, Programmiertechniken und Entwicklungs-Tools für Quantenrechner zu erschaffen. Simulationsplattformen dienen so als Grundlage für Anwendungen in den Bereichen Big Data, Künstliche Intelligenz und IT-Sicherheit. Gerade der letzte Punkt ist essenziell. Denn der Fortschritt auf dem Gebiet der Quantenrechner erhöht zugleich das Sicherheitsrisiko, das von ihnen ausgeht. Sie werden in der Lage sein, vor allem asymmetrische Verschlüsselungstechniken zu knacken, die mit öffentlichen und privaten Schlüsseln arbeiten. Zu den bedrohten Verschlüsselungsverfahren zählt der weit verbreitete RSA-Algorithmus. 

Wo kommt der RSA-Algorithmus zum Einsatz – und worauf beruht seine Sicherheit?
Das RSA-Verfahren verschlüsselt beispielsweise Online-Bestellungen oder EC-Kartenzahlungen. Die Sicherheit der Schlüssel beruht auf der Multiplikation von großen Primzahlen. Es zählt jedoch zu den Stärken von Quantenrechnern, Primzahlenprodukte in ihre Faktoren zu zerlegen. Auch wenn diese Methoden Quanten-Angriffen noch einige Zeit lang standhalten werden, ist es notwendig, bereits heute neue, quantensichere Sicherheitsstandards zu entwickeln. Denn es ist davon auszugehen, dass Cyber-Kriminelle‚ Staats-Hacker, Geheimdienste und andere Gruppen sich Zugang zu Quanten-Systemen verschaffen, vorzugsweise über die Cloud. So entsteht eine ernste Bedrohung für ganze Industrien und Staaten. Das Entwickeln von neuen Sicherheitsstandards, um zum Beispiel den Datentransport zwischen IoT-Endpunkten und Gateway in einem IoT-System abzusichern, benötigt jedoch Zeit.

Was empfehlen Sie Unternehmen im Industrie- und Automationssektor konkret, demnächst anzugehen?

Philippe Duluc: Vor allem der Sicherheitsaspekt sollte auch Industrie- und Automationsunternehmen animieren, Quantensimulatoren zu nutzen. Zuerst würde das Überprüfen der Stärke von Verschlüsselungstechniken im Fokus stehen. Daraus ließen sich im nächsten Schritt Lösungen entwickeln, die einen Schutz vor Entschlüsselungsversuchen bieten. Solche Algorithmen sind unverzichtbar, um Kunden- und Geschäftsdaten vor dem Zugriff Unbefugter zu sichern. Auch das zweite, genauso schwergewichtige Motiv, sich mit Quantensimulatoren zu beschäftigen, dürfen Unternehmen gerne als Pflicht verstehen: Das rechtzeitige Programmieren von Use Cases erhöht die eigene Wettbewerbsfähigkeit.