Funktionsweise und Potenziale der Technologie
Was kann Quantencomputing?
Quantencomputer versprechen enorme Rechenleistung und bieten großes Potenzial für Gesellschaft und Wirtschaft. Sie könnten etwa dazu eingesetzt werden, neue medikamentöse Wirkstoffe zu finden. Doch wie ist der aktuelle Stand der Technologie? Dr. Marco Roth vom Fraunhofer IPA gibt einen Überblick.
(Bild: ©John-D/stock.adobe.com)
Die Digitalisierung durchdringt sowohl gesellschaftliche als auch professionelle Prozesse bis hin zur Transformation ganzer Industriezweige. Möglich wird der rasante Fortschritt dieser digitalen Revolution durch stets wachsende Rechenleistung. Dieses Wachstum wird zu einem großen Teil durch das Moor’sche Gesetz gewährleistet. Es besagt, dass sich die Anzahl an Transistoren auf gängigen Chips etwa alle zwei Jahre verdoppelt. Ein wesentlicher Treiber dieser Beobachtung, die oft auch als selbsterfüllende Prophezeiung betrachtet wird, ist die Miniaturisierung elektrischer Schaltkreise. Die Größe von Komponenten in gängigen Transistoren beläuft sich heute auf nur noch wenige Nanometer. Dies wirft die Frage auf, wie weit man diese Verkleinerung noch vorantreiben kann. Die Antwort: Es sind sogar Berechnungen mit Bauteilen auf der Größenskala einzelner Atome möglich, auch wenn sich das zugrundeliegende Rechenparadigma grundlegend von der Art unterscheidet, wie herkömmliche Computer arbeiten.
Die Anfänge des Quantencomputing
Der Unterschied liegt darin begründet, dass die Gesetzmäßigkeiten des Mikrokosmos stark von dem abweichen, was in unserem Alltag erfahrbar ist. Die physikalische Theorie, die das Verhalten von sehr kleinen Systemen beschreibt, ist die Quantenmechanik. Quantencomputing beschreibt die Nutzung quantenmechanischer Systeme zur Durchführung von Berechnungen. Den ersten Popularitätsschub hat das Feld Anfang der 1990er Jahre durch die Entwicklung des Shor-Algorithmus erfahren.
Der Algorithmus erlaubt eine effiziente Zerlegung von Zahlen in ihre Primfaktoren. Was zunächst abstrakt klingt, könnte enorme realweltliche Auswirkungen haben, da eine Reihe der gängigen Kryoptographiemethoden in der IT wie z.B. Rivest-Shamir-Adleman (RSA) auf der Annahme basieren, dass es keinen Algorithmus gibt, der die Faktorisierung in polynomischer Laufzeit erlaubt. Der Shor-Algorithmus macht aber genau das möglich und stellt daher die bestehende Sicherheitsarchitektur vieler IT-Systeme infrage.
In den folgenden Jahren wurden weitere Algorithmen entdeckt, die einen deutlichen Geschwindigkeitsvorteil gegenüber den besten bekannten Methoden versprechen. Im Idealfall schrumpfen so die Rechenzeiten bestimmter Algorithmen von mehreren Jahren auf einige Tage, was somit potenziell den Zugang zu derzeit unlösbaren Problemen ermöglicht. Heute steht Quantencomputing an der Schwelle von der Grundlagenforschung zur Anwendung. Die Nutzung quantenbasierter Algorithmen birgt großes gesellschaftliches und wirtschaftliches Potenzial.
So kam eine McKinsey-Analyse 2021 zu dem Schluss, dass der Value at Stake durch Quantencomputing allein in den Industriebereichen Chemie, Pharmazeutik, Automotive und Finanzen im Jahr 2035 zwischen 300 und 700 Milliarden US-Dollar betragen könnte. Da es sich dabei um Prognosen handelt, die auf Annahmen über die künftige technologische Entwicklung basieren, sind diese Zahlen aber mit einer großen Unsicherheit behaftet. Konkret könnten Anwendungen wie die Entwicklung von medikamentösen Wirkstoffen, die Optimierung von Warenströmen oder die Konstruktion neuartiger Materialien von Quantencomputing profitieren.
Die Funktionsweise
Doch was genau macht Quantencomputing potenziell so mächtig? In Analogie zum Bit, der kleinsten Informationseinheit für herkömmliche Computer, bezeichnet man das kleinste quantenmechanische System, mit dem man Berechnungen durchführt, als Qubit. Zum Bau eines Qubits können verschiedene physikalische Systeme wie supraleitende Schaltkreise, eingefangene Ionen oder spezielle Diamanten genutzt werden. Qubits sind, anders als Transistoren, auf deren Basis Bits konstruiert werden, keine binären Systeme mit nur zwei exklusiv einnehmbaren Zuständen. Vielmehr können sie in sogenannten quantenmechanischen Superpositionszuständen existieren, in denen sie mehrere Zustände zur gleichen Zeit einnehmen. Ein Qubit kann somit nicht nur in den herkömmlichen Zuständen 0 und 1, sondern auch in einer Mischung aus 0 und 1 gleichzeitig vorliegen. Durch die Verknüpfung mehrerer Qubits erhöht sich die Anzahl an möglichen Zuständen, die simultan eingenommen werden, exponentiell, sodass schon ein Quantencomputer mit ca. 50 Qubits Zustände erzeugen kann, die mit derzeit verfügbaren Hochleistungsrechnern nicht simulierbar sind.
Neben der Größe des Zustandsraums können Quantencomputer auf eine weitere Ressource zurückgreifen, die nur quantenmechanischen Systemen zur Verfügung steht: die Verschränkung. Von Albert Einstein einst skeptisch als spooky action at a distance bezeichnet, ist die Verschränkung längst selbstverständlicher Teil der Quantenmechanik, wie z.B. die Vergabe des Nobelpreises für Physik an die Quantenforscher Alain Aspect, John Clauser und Anton Zeilinger im Jahr 2022 gezeigt hat. Verschränkte Systeme weisen nicht-klassische Korrelationen auf, bei denen die Manipulation eines Teilchens auch über große Entfernungen (einen Kilometer und mehr) Implikationen auf den Zustand eines mit ihm verschränkten Teilchens haben kann.
Das könnte Sie auch interessieren
Exklusiv für Abonnenten
Loggen Sie sich ein oder registrieren Sie sich für einen kostenlosen INDUSTRIE 4.0-MAGAZIN um den gesamten Artikel zu lesen.
Warum eine fachlich überschätzte IT-Abteilung der IT-Sicherheit schadet
Wenn Sicherheit zum Risiko wird
Vier von fünf Befragten bescheinigen ihrer IT-Abteilung große Kompetenzen. Das ist das Ergebnis einer aktuellen Studie von G Data CyberDefense, Statista und Brand Eins. Die Zuschreibung hervorragender Fähigkeiten der IT-Verantwortlichen zeige das Vertrauen in ihre Arbeit, so die Studienverantwortlichen, gleichzeitig offenbare sich dadurch aber auch ein Risiko für die IT-Sicherheit in Unternehmen. 
Einloggen
Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit. Quae sequuntur igitur? Istam voluptatem perpetuam quis potest praestare sapienti? Duo Reges: constructio interrete. Vide, quantum, inquam, fallare, Torquate. Quae duo sunt, unum facit. Quasi ego id curem, quid ille aiat aut neget. Quis, quaeso, illum negat et bonum virum et comem et humanum fuisse? Tollitur beneficium, tollitur gratia, quae sunt vincla concordiae. Quae sunt igitur communia vobis cum antiquis, iis sic utamur quasi concessis;
Deprehensus omnem poenam contemnet. Semper enim ex eo, quod maximas partes continet latissimeque funditur, tota res appellatur. Dicet pro me ipsa virtus nec dubitabit isti vestro beato M. Qui autem esse poteris, nisi te amor ipse ceperit? Vide, ne etiam menses! nisi forte eum dicis, qui, simul atque arripuit, interficit. Themistocles quidem, cum ei Simonides an quis alius artem memoriae polliceretur, Oblivionis, inquit, mallem. In quibus doctissimi illi veteres inesse quiddam caeleste et divinum putaverunt. Proclivi currit oratio.
Ex quo, id quod omnes expetunt, beate vivendi ratio inveniri et comparari potest. Nunc de hominis summo bono quaeritur; Etenim nec iustitia nec amicitia esse omnino poterunt, nisi ipsae per se expetuntur.
Neun von zehn Unternehmen fehlt es laut einer Studie des IT-Dienstleisters Infosys an Unternehmenskultur und Organisationsstruktur, um digitales Wachstum zu ermöglichen. Unternehmen sollten sich auf eine Kombination aus Live-Daten, verantwortungsvoller Risikobereitschaft und Produktorientierung fokussieren, so die Studienverantwortlichen.‣ weiterlesen
Industrielle Fertigungsprozesse sollen gleichermaßen effizient, flexibel und für die Beschäftigten sicher sein. Arbeiten Mensch und Roboter gemeinsam an komplexen Aufgaben, gilt es, Zielkonflikte zwischen diesen Anforderungen zu vermeiden. Im EU-Projekt Sharework entwickelte das Team vom Fraunhofer IWU um Aquib Rashid, Ibrahim Al Naser und Mohamad Bdiwi dazu einen Geschwindigkeitsregler sowie ein multimodales, umfassendes Wahrnehmungssystem. Zwar muss die Roboterbewegung bei menschlicher Annäherung auch weiterhin verlangsamt werden, aber deutlich weniger als bisher.‣ weiterlesen
Im Jahr 2022 hat sich die Zahl der Patentanmeldungen etwas stabilisiert. Wie das Deutsche Patent- und Markenamt mitteilt, kommen allerdings weniger Erfindungen aus Deutschland. Auch die Zahl der Anmeldungen aus Maschinenbau und Automobilindustrie ging zurück.‣ weiterlesen
Mit der sechsten Generation Mobilfunk sollen Unternehmen noch einfacher eigene Campus-Netzwerke zur Steuerung von Maschinen und Anlagen aufspannen können. Im Projekt 6G-Campus werden eine innovative Campus-Netz-Technologie namens OpenXG und darauf basierend spezielle Komponenten und Architekturen entwickelt.‣ weiterlesen
Von der Fabrikplanung über die Fertigung bis zur Logistik: Wie können wir mit Hilfe von Daten einzelne Maschinen, Prozesse und die gesamte Produktion eines Unternehmens effizienter und produktiver gestalten? Im Projekt 'Datenfabrik.NRW' des Spitzenclusters It's OWL haben die Unternehmen Claas und Schmitz Cargobull gemeinsam mit NTT Data Business Solutions, Duvenbeck Kraftverkehr und MotionMiners sowie den Fraunhofer-Instituten IEM, IML, IOSB-INA und IAIS ein Modell für eine datengetriebene Fabrik der Zukunft erarbeitet. Insgesamt sollen 50 Use Cases implementiert werden.‣ weiterlesen
INDUSTRIE 4.0 & IIoT-MAGAZIN Leseprobe
Zeitschrift für Industrie 4.0, Internet of Things & Digitale Transformation
Das Industrial WLAN im Blick behalten
Zur technischen Basis in Fabrikumgebungen zählen auch drahtlose Netzwerke. Neben drahtlosen Technologien wie 5G und Bluetooth ist auch das Industrial WLAN (IWLAN) ein gängiger Ansatz. Doch was ist eigentlich IWLAN, und wie kann man es monitoren? Felix Berndt, Business Development Manager for IIoT and Data Centers EMEA bei Paessler gibt Tipps.‣ weiterlesen
Es fehlt an Arbeitskräften und Geschwindigkeit
Mehr als 50 Prozent der Unternehmen in Deutschland fehlt es laut einer aktuellen Studie von Rockwell Automation an qualifizierten Arbeitskräften, um sich im Wettbewerb durchzusetzen. Und auch die Datennutzung bereitet Probleme.‣ weiterlesen
Roboter kaufen oder leasen?
Der Fachkräftemangel ist allgegenwärtig und qualifiziertes Personal ist oft nur schwer zu finden. Roboter können einen Teil dieser Problematik lösen. Doch was gilt es bei der Anschaffung eines Cobots zu beachten und lohnt sich die Investition überhaupt? Peter Lange, Business Development Manager Robotik bei Omron Electronics, gibt dazu einige Tipps.‣ weiterlesen
Unsichere Zukunft bremst Industrie 4.0 in Deutschland
Unsicherheit beim Return on Investment verhindern laut einer MHP-Studie fortschreitende Digitalisierung und Automatisierung bei zwei Dritteln aller Unternehmen. Zudem haben Unternehmen aus der DACH-Region Nachholbedarf beim Thema Nachhaltigkeit.‣ weiterlesen
