Quantencomputing: Die nächste technologische Revolution ist bereits im Gange

Während die Welt weiterhin künstliche Intelligenz entdeckt, bahnt sich mit dem Quantencomputing bereits der nächste große Sprung an. Die Entwicklung leistungsfähigerer Infrastrukturen, die komplexere Probleme lösen, Prozesse verkürzen und bisher undenkbare Szenarien simulieren können, motiviert Länder, Großkonzerne und Start-ups. Ein Billionengeschäft könnte auf dem Spiel stehen, insbesondere im Finanzwesen, aber auch in anderen Sektoren wie dem Gesundheitswesen. Die Herausforderung ist derzeit ebenso groß wie die Belohnung: Es gibt Probleme mit der Bedienbarkeit und Benutzerfreundlichkeit. Wer zuerst ein stabiles System erreicht, wird einen deutlichen Vorteil haben. Dies hat bereits die „Quantensouveränität“ ausgelöst, mit entschlossenen Eingriffen einiger Länder und globalen Konflikten.

Basierend auf den Gesetzen der Quantenphysik überprüft es die aktuellen Grundlagen, verändert die Art und Weise des Rechnens und gestaltet sie neu. Bisher operierten Dinge mit Nullen und Einsen, mit Bits. Dinge können entweder Null oder Eins sein. Wir bewegen uns in eine Landschaft, in der der Zustand eine Kombination aus beidem ist – ein bisschen von hier und ein bisschen von dort. Von Bits bewegen wir uns zu Qubits. Mehr mögliche Kombinationen bieten größere Kapazitäten für Berechnungen, Informationsverarbeitung und Problemlösungen. Die fortschreitende technologische Entwicklung würde es ermöglichen, Operationen in Sekundenschnelle durchzuführen, die mit klassischen Computern Jahre dauern würden. „Es ist wie die nächste Entdeckung des Feuers durch die Menschheit: Es führt ununterbrochen komplexe Berechnungen durch und beschleunigt das menschliche Wissen auf Hochtouren“, schreiben Analysten der Bank of America in ihrem Bericht „Nothing Compares to Q“ (für Quanten). Der Bericht nennt das Potenzial, einen wirtschaftlichen Wert von bis zu 2 Billionen US-Dollar freizusetzen – mehr als die spanische Wirtschaft – allein in den Bereichen Chemie, Biowissenschaften, Finanzen und Mobilität, wo die Auswirkungen zuerst spürbar wären.

Der Wettlauf hat bereits souveräne Züge angenommen, wobei China ein prominenter Akteur im öffentlichen Vorstoß ist.

Auf dem Papier ist es ideal, doch in der Praxis gibt es noch viele Hürden zu überwinden. Die Technologie steckt noch in den Kinderschuhen. „Sie ist noch nicht ausgereift, steckt noch in den Kinderschuhen, aber sie verspricht viel. Nicht alle Probleme lassen sich mit Quantencomputern lösen, aber einige lassen sich schneller lösen“, sagt Sergi Abadal, ein renommierter Ingenieur der Polytechnischen Universität von Katalonien (UPC), der sich auf Computerarchitektur spezialisiert hat. Als Beispiele nennt er die Entwicklung kryptografischer Codes zum Schutz von Kreditkarten oder die Simulation molekularer Interaktionen, die eine schnellere Medikamentenentwicklung ermöglichen würde. „Es ist wie mit der KI vor fünf oder zehn Jahren. Es gibt viel Potenzial, aber wir suchen nach realen Anwendungsfällen. Quantencomputer befinden sich heute in der Prototypenphase; sie sind für kleine Anwendungsfälle funktionsfähig; sie werden zusammengebaut, während Algorithmen entwickelt werden, um sie zu nutzen. Es ist wie ein neues Spielzeug, bei dem wir erst sehen müssen, wo es hinpasst“, sagt Jan Nogué, Quanteningenieur bei Qilimanjaro, einem katalanischen Unternehmen, das Quantencomputer entwickelt und deren Anwendungsmöglichkeiten erforscht.

Bei der Bank of America verweist man auf Anwendungen in den Bereichen Blockchain , Big Data , maschinelles Lernen und Simulation. „Eine Kombination mit 6G-Mobilfunknetzen würde jede Branche revolutionieren.“ Sie sehen insbesondere vier große Gewinner auf Anhieb. Erstens den Chemiesektor mit der Entdeckung und Entwicklung von Chemikalien und Materialien. Zweitens würden in den Biowissenschaften mithilfe von Simulationen neue Behandlungsmethoden erschlossen. Nogué sieht Logik in physikalischen Anwendungen immer praktikabler. „Die Natur ist quantenhaft, Teilchen sind quantenhaft, Materialien im mikroskopischen Maßstab sind quantenhaft. Die Simulation von etwas Quantenhaftem auf einem klassischen Computer ist unmöglich, daher glaubt die Community, dass die ersten Vorteile bei physischen Dingen, beispielsweise einem neuen Material, sichtbar werden.“ Drittens würde es im Mobilitätsbereich das Infrastrukturmanagement, das Flottenmanagement und die von ihnen generierten Daten, das autonome Fahren und das Routenmanagement verbessern. Und schließlich im Finanzbereich: „Quantencomputer sind in der Lage, nahezu jeden Aspekt des Bankwesens zu meistern.“ Sie verbessern die Vorhersage von Markttrends, die Portfoliooptimierung, die Echtzeit-Datenanalyse, die Betrugserkennung und die Kreditwürdigkeitsprüfung.

Diese vier Sektoren könnten durch neue Einnahmen und Kosteneinsparungen einen Wert von 2 Billionen US-Dollar erschließen. Der Finanzsektor würde mit bis zu 600 Milliarden US-Dollar am meisten profitieren. Beispielsweise würde sich das globale BIP verdoppeln, wenn die Analyse der generierten Daten von derzeit 1 % auf 24 % ausgeweitet würde, was Quantencomputer und ihre Verarbeitungskapazität erreichen würden.

Weit entfernt von plausiblen Szenarien ist ein Faktor klarer. In einer Welt, in der der Stromverbrauch stetig steigt und Rechenzentren wie Pilze aus dem Boden schießen, könnte sich Quantencomputing als Verbündeter erweisen. Neben dem wirtschaftlichen Potenzial wäre ein erster Vorteil der Energievorteil: Der Energieverbrauch von Rechenzentren könnte um 12,5 % gesenkt werden, heißt es im Bericht. Um all dies zu erreichen, müssen aktuelle Herausforderungen gelöst werden. So benötigt ein Quantencomputer beispielsweise optimale Bedingungen, die heute nicht lange aufrechterhalten werden können, was einen Langzeitbetrieb unmöglich macht, betont Abadal. Quantencomputer benötigen extrem niedrige Temperaturen (-273,15 °C) und reagieren sehr empfindlich auf Vibrationen und sogar kosmische Strahlung. Aufgrund der Fragilität der Qubits führt dies zu einer höheren Fehlerquote als bei herkömmlichen Computern.

Die Milliardeninvestitionen, die der Sektor mobilisiert, fließen größtenteils in die Lösung dieser Probleme und die kommerzielle Nutzung. Es ist klar, dass dies bahnbrechendes Potenzial hat. Unternehmen sind sich dessen bewusst. Giganten wie IBM und Google stechen hervor, aber auch spezialisierte Unternehmen wie D-Wave. Auch Länder erkennen das Potenzial und wollen sich gegen eine Technologie verteidigen, die theoretisch bestehende Verschlüsselungs- und Sicherheitsstandards außer Kraft setzen könnte. Laut der Bank of America ist sogar ein Wettlauf um die „Quantensouveränität“ entbrannt. Hauptargument ist das Streben nach einer Führungsrolle im nächsten Zeitalter oder die nationale Sicherheit angesichts der Möglichkeit, die Kryptografie, auf die sich die Branche stützt, zu entschlüsseln. Daher beschränken die USA, Frankreich und Großbritannien den Export von Quantentechnologien.

Für Europa stellt dies eine Chance dar, nachdem es im Bereich der künstlichen Intelligenz hinterherhinkt.

Haim Israel, Leiter der globalen thematischen Forschung bei der Bank of America und Hauptautor des Berichts, erklärt, dass das erste Land oder Unternehmen, das stabile Quantencomputer entwickelt, einen Wettbewerbsvorteil haben wird. China ist mit 15,3 Milliarden US-Dollar führend bei den öffentlichen Investitionen, verglichen mit 5,2 Milliarden US-Dollar aus Deutschland und 4,3 Milliarden US-Dollar aus Großbritannien. Bei den privaten Investitionen dominieren die USA mit bisher über 3,4 Milliarden US-Dollar und fast 2 Milliarden US-Dollar, die in zwei Jahren eingeworben wurden. „Die Amerikaner treiben die Entwicklung aufgrund ihrer nahezu unbegrenzten privaten Investitionen stärker voran“, erklärt Abadal. Er hebt das Beispiel IBM hervor, das einen klaren und offenen Fahrplan verfolgt. Nogué erwähnt PsiQuantum, das sich auf den Bau eines brauchbaren Quantencomputers mit einer Million Qubits konzentriert und bereits einen Wert von über 5 Milliarden Euro hat.

Es gibt zwei Schlüsselkonzepte für die Meilensteine des Quantencomputings, für die es in der Fachwelt jedoch keine einheitliche Vision gibt. Das eine ist die Quantenüberlegenheit , also die Fähigkeit, eine Aufgabe zu lösen, die ein herkömmlicher Computer in einem realistischen Zeitrahmen nicht bewältigen könnte – etwas, das bereits erreicht wurde. Das andere ist der Quantenvorteil , also die schnellere Lösung eines nützlichen, realen Problems, wie beispielsweise die Simulation neuer Medikamente. Experten gehen laut dem Bericht davon aus, dass der Quantenvorteil im Jahr 2033 erreicht sein wird.

„Europa sollte sich auf Quantencomputing konzentrieren, nachdem es im KI-Rennen abgehängt wurde“, schlägt Israel vor. Der Rückstand ist nicht so groß: Die EU hat das Flaggschiff für Quantentechnologien mit einem Budget von einer Milliarde Euro ins Leben gerufen. Auch in Spanien und Katalonien gibt es Bewegung: Das Barcelona Supercomputing Center (BSC) und das ICFO dienen als Benchmarks, die nationale Strategie für Quantentechnologien und das Projekt Vall de la Quàntica. Zurück zur KI: Das wahre Potenzial könnte in der Kombination liegen. Eine „künstliche Superintelligenz“, die in wenigen Minuten trainiert werden kann und sich gegenseitig ergänzt. Die Ergänzung von Simulation, Vision und prädiktiver Analytik aus dem Quantencomputing zur KI könnte laut McKinsey mehr als 6 Billionen Dollar freisetzen. Zwei Revolutionen zum Preis von einer?

Bedrohung und Chance?

Eines der theoretischen Szenarien für Quantencomputing besteht darin, die Verschlüsselungssysteme, die uns schützen, ohne große Schwierigkeiten umgehen zu können. „Quantencomputing ist technisch in der Lage, alle aktuellen Verschlüsselungsmethoden – basierend auf der Faktorisierung großer Zahlen – einschließlich Blockchain herauszufordern, mit parallelen Verarbeitungskapazitäten von bis zu einer Billion Berechnungen pro Sekunde“, bemerkt die Bank of America und zitiert den Futuristen Bernard Marr. „Die Kryptografie, die Kreditkarten schützt, wird nicht länger nützlich sein“, warnt Abadal von der UPC als Beispiel. Das Thema hat Akteure wie das US-amerikanische National Institute of Standards and Technology (NIST) mobilisiert, das die Entwicklung „quantensicherer“ Verschlüsselungsalgorithmen gefordert hat. Die Idee ist, jetzt mit der Entwicklung zu beginnen, da die Implementierung eines neuen Verschlüsselungsstandards fünf bis zehn Jahre dauern könnte. „Wir müssen heute Vorsichtsmaßnahmen ergreifen, um auf mögliche zukünftige Szenarien vorbereitet zu sein“, kommentiert die Bank of America. Google, Vodafone, Apple und IBM sind einige der großen Namen, die sich bereits an dieser Aufgabe beteiligen. Auf diese Weise stellt es nicht nur eine Sicherheitsbedrohung dar, sondern eröffnet auch Geschäftsmöglichkeiten und Fortschritte durch neue Verschlüsselungstechnologien, die auf Elementen des Quantencomputings basieren.