Werden Quantencomputer ihre klassischen Gegenstücke ersetzen?

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Die klassische Datenverarbeitung wird nicht verschwinden, aber die Quantentechnologie hat das Potenzial, viele Branchen zu verändern. Es ist wichtig, die Stärken beider Technologien zu nutzen, um das volle Potenzial der Quantencomputer zu erschließen.

Die Verheißungen der Quanteninformatik sind zahlreich: Es könnte dazu beitragen, lebensrettende Medikamente in noch nie dagewesener Geschwindigkeit zu entwickeln, bessere Anlageportfolios für die Finanzwelt zu erstellen und eine neue Ära der Kryptografie einzuläuten. Bedeutet das, dass das Quantencomputing zum Standard wird und das klassische Computing überflüssig wird?

Die kurze Antwort lautet nein. Klassische Computer verfügen über einzigartige Qualitäten, die von Quantencomputern nur schwer zu erreichen sein werden. Die Fähigkeit, Daten zu speichern, ist beispielsweise nur bei klassischen Computern gegeben, da der Speicher von Quantencomputern höchstens ein paar hundert Mikrosekunden lang ist.

Außerdem müssen Quantencomputer bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gehalten werden, der in der Größenordnung von -270 Grad Celsius (-450 Grad Fahrenheit) liegt. Der Durchschnittsverbraucher hat keinen so leistungsstarken Kühlschrank zu Hause, und es wäre auch nicht ratsam, ihn zu benutzen, wenn man an den entsprechenden Energieverbrauch und die Auswirkungen auf die Umwelt denkt. All diese Herausforderungen deuten darauf hin, dass Quantencomputer in den meisten Haushalten oder Unternehmen wohl kaum Einzug halten werden.

Wahrscheinlicher ist, dass Forscher in Wissenschaft und Industrie über Cloud-Dienste auf Quantencomputer zugreifen werden. Obwohl die Quantentechnologie noch in den Kinderschuhen steckt, bieten Anbieter wie Amazon Web Services und Microsoft Azure bereits einen Cloud-Zugang zu ihr an.

Es besteht kein Zweifel, dass das Quantencomputing im nächsten Jahrzehnt viele Branchen verändern wird. Klassische Computer werden jedoch immer eine Rolle spielen. Wie immer steckt der Teufel jedoch im Detail: Welche Probleme eignen sich besser für Quantencomputer und welche für klassische Computer? Welche Branchen werden am meisten von einer hybriden Strategie aus Quantencomputern und klassischen Computern profitieren?

Quantencomputer werden die klassischen Computer nicht ersetzen

Quantencomputer gibt es bereits seit den frühen 1980er Jahren. Doch vier Jahrzehnte später gibt es weltweit noch nicht einmal drei Dutzend Quantencomputer. Der erste praktische Beweis für den Quantenvorteil, d. h. dafür, dass Quantencomputer viel schneller sind als klassische Computer, wurde erst 2019 von Google erbracht.

Einem aktuellen McKinsey-Bericht zufolge werden wir bis 2030 vielleicht noch nicht einmal mehr als 5.000 Quantencomputer haben. Das liegt nicht nur daran, dass es schwierig sein wird, Daten über einen längeren Zeitraum in Quantencomputern zu speichern oder sie bei Raumtemperatur zu betreiben. Es stellt sich heraus, dass sich die Quanteninformatik so grundlegend von der klassischen Informatik unterscheidet, dass es einige Zeit dauern wird, bis die Technologie entwickelt, eingesetzt und ihre Vorteile genutzt werden können.

Ein Beispiel für einen solchen grundlegenden Unterschied ist, dass Quantencomputer keine einfachen Antworten geben können, wie es klassische Computer tun. Klassische Berechnungen sind recht einfach: Man gibt eine Eingabe ein, ein Algorithmus verarbeitet sie, und am Ende erhält man eine Ausgabe. Quantencomputer hingegen nehmen eine Reihe verschiedener Eingaben entgegen und geben eine Reihe von Möglichkeiten zurück. Statt einer einfachen Antwort erhält man eine Schätzung, wie wahrscheinlich die verschiedenen Antworten sind.

Diese Art des Rechnens kann sehr nützlich sein, wenn es um komplexe Probleme geht, bei denen viele verschiedene Eingabevariablen und komplexe Algorithmen vorliegen. Auf einem klassischen Computer würde ein solcher Prozess normalerweise sehr lange dauern. Quantencomputer können den Bereich der möglichen Eingabevariablen und Lösungen für ein Problem eingrenzen. Danach kann man eine einfache Antwort erhalten, indem man den Bereich der Eingaben, die der Quantencomputer geliefert hat, mit einem klassischen Computer testet.

Klassische Computer werden daher noch jahrzehntelang nützlich bleiben. Ihre anhaltende Bedeutung ist nicht nur eine Frage der Zeit, die vergeht, bis Quantencomputer so weit entwickelt sind, dass sie von der breiten Masse angenommen werden. Es geht auch um die unscharfe Natur der Lösungen, die das Quantencomputing liefert. Wir Menschen bevorzugen direkte Antworten, die nur von klassischen Computern geliefert werden können.

Technische Grenzen des Quantencomputings

Wir sollten jedoch bedenken, dass diese Arbeitsweise noch nicht ausgiebig getestet worden ist. Da die Quantentechnologie nach vier Jahrzehnten Arbeit immer noch in den Kinderschuhen steckt, gibt es einige recht knifflige Einschränkungen, die es zu umgehen gilt. Diese Beschränkungen werden dafür sorgen, dass klassische Computer relevant bleiben.

Informationen auf Quantencomputern werden in Einheiten gespeichert und verarbeitet, die Qubits genannt werden. Ähnlich wie die Bits in klassischen Computern können sie verschiedene Werte haben, wie Null oder Eins. Qubits können jedoch auch Mischungen aus Null und Eins haben, wie zum Beispiel 30 Prozent Null und 70 Prozent Eins. Diese Fähigkeit macht sie ziemlich leistungsfähig: Während ein klassischer Computer mit N Bits maximal N Berechnungen auf einmal durchführen kann, können Quantencomputer bis zu 2^N Berechnungen bewältigen. Wenn also ein klassischer Prozessor 10 Berechnungen schafft, schafft ein Quantenprozessor 2^10, also 1.024 Berechnungen.

Das Problem ist, dass es extrem schwierig ist, Quantencomputer mit vielen Qubits zu bauen - der derzeitige Rekord liegt bei einer chinesischen Maschine mit 76 Qubits. Um fair zu sein, haben sowohl junge Start-ups als auch Tech-Giganten versprochen, bald Maschinen mit Tausenden von Qubits zu bauen. Größere Quantencomputer haben jedoch in der Regel eine geringere Konnektivität, was bedeutet, dass die Qubits nicht ganz so gut miteinander kommunizieren können. Dieser Mangel an Konnektivität senkt die Gesamtrechenleistung des Systems.

Schließlich sind Quantencomputer recht fehleranfällig. Diese Berechnungsfehler sind Quantensystemen inhärent und lassen sich nicht per se vermeiden. Deshalb wird viel Kapital und Talent in die Quantenfehlererkennung gesteckt, um Möglichkeiten zu entwickeln, Maschinen zu bauen, die ihre eigenen Fehler bemerken und korrigieren. Obwohl in diesem Bereich enorme Fortschritte erzielt wurden, ist es unwahrscheinlich, dass Quantenfehler jemals ganz verschwinden werden. Selbst bei hochpräzisen Quantencomputern wird es weiterhin notwendig sein, die Endergebnisse mit klassischen Computern zu überprüfen.

Warten auf die Disruption

Nimmt man die technischen Beschränkungen des Quantencomputings und die für die Speicherung der Hardware erforderlichen unterkühlten Temperaturen hinzu, wird verständlich, warum die meisten Unternehmen derzeit noch zögern, in Quantencomputer zu investieren. In einigen Branchen könnte ein Quantencomputer jedoch wirtschaftlich rentabel werden, selbst wenn er ein Problem "nur" 1.000 Mal schneller löst als ein klassischer Computer. Dazu gehören Sektoren wie das Finanzwesen, die Pharmazie und die Kryptographie.

Es ist daher plausibel, dass Unternehmen Quantensysteme nach und nach einführen werden, da sie zunehmend wirtschaftliche Vorteile bringen. Während dieser Zeit werden klassische Computer relevant, ja sogar lebenswichtig bleiben, um den Status quo zu erhalten. Nur wenige Unternehmen werden in dieser Anfangszeit große Investitionen tätigen, was bedeutet, dass der Löwenanteil der Arbeit in der Industrie weiterhin von klassischen Computern erledigt wird.

Andererseits werden große Investitionen, so riskant sie derzeit auch erscheinen mögen, die treibende Kraft für echte Durchbrüche bei der Einführung des Quantencomputers sein. Solche Umwälzungen sind vor allem in zwei Bereichen zu beobachten: Arzneimittelentwicklung und Kryptographie. Diese beiden Bereiche sind auf enorme Rechenkapazitäten angewiesen, die Quantencomputer in noch nie dagewesener Weise bereitstellen könnten.

Wo Quantencomputing gedeihen wird - und wo die klassische Technik hilft

Nicht alle Branchen werden in gleicher Weise vom Quantencomputing profitieren. Laut McKinsey gibt es vier Bereiche, in denen die Quanteninformatik langfristig immense Vorteile bringen könnte. Dennoch wird das klassische Computing in diesen Bereichen relevant bleiben und die Vorteile der Quantentechnologie ergänzen.

• Entwicklung von Arzneimitteln: Computersimulationen von Medikamentenmolekülen sind unverzichtbar, da sie die Kosten und den Zeitaufwand mitunter drastisch senken. Heute ist diese Art der Simulation allerdings nur bei relativ kleinen Molekülen möglich. Wenn sich Unternehmen jedoch für Proteine interessieren, die oft aus Tausenden von Bestandteilen bestehen, müssen sie diese herstellen und ihre Eigenschaften im wirklichen Leben testen, da die heutigen Computerressourcen nicht ausreichen, um eine genaue Simulation durchzuführen. Quantensimulationen könnten die Entwicklungskosten drastisch senken und dazu beitragen, Medikamente schneller auf den Markt zu bringen. Da das Quantencomputing jedoch immer eine Reihe von Möglichkeiten bietet, muss die optimale Molekularstruktur eines Medikaments immer noch mit einem klassischen Computer bestätigt werden.
• Optimierungsprobleme: Wie lassen sich die Anlagen in einer Fabrik am effizientesten platzieren? Wie können Fahrzeuge am besten eingesetzt werden, um ein effizientes Transportnetz zu gewährleisten? Was ist die beste Anlagestrategie, um in fünf, 10 oder 30 Jahren eine optimale Rendite zu erzielen? Dies sind komplexe Probleme, bei denen die beste Antwort nicht immer offensichtlich ist. Mit Quantencomputern könnte man die Möglichkeiten drastisch einschränken und dann klassische Computer einsetzen, um eindeutige Antworten zu erhalten. Diese Probleme gibt es in vielen verschiedenen Bereichen, von der Fertigung über das Transportwesen bis hin zum Finanzwesen.
• Künstliche Quantenintelligenz: Milliarden von Dollar werden in autonome Fahrzeuge investiert. Das Ziel ist es, Fahrzeuge so intelligent zu machen, dass sie überall auf der Welt auf verkehrsreichen Straßen fahren können. Obwohl viele Talente daran arbeiten, KI-Algorithmen das Fahren beizubringen, sind Unfälle immer noch ein Problem. Quanten-KI, die viel schneller und leistungsfähiger sein könnte als die derzeitigen Methoden, könnte zur Lösung dieses Problems beitragen. Die Vorteile könnten jedoch erst in einem Jahrzehnt zum Tragen kommen, da die Quanten-KI heute weit weniger entwickelt ist als die Quantensimulation oder die Kryptografie. Daher werden die meisten KI-Algorithmen auch weiterhin auf klassischen Computern eingesetzt werden. Auch wenn es noch zu früh ist, um sichere Vorhersagen zu treffen, ist es nicht undenkbar, dass der Großteil der KI in ein paar Jahrzehnten auf Quantenbasis arbeiten wird.
• Kryptographie: Heutige Sicherheitsprotokolle beruhen auf Zufallszahlen und Zahlenfaktorisierung in Höhen, die klassische Computer zwar berechnen können, um ein Passwort zu generieren, aber nur selten lösen können, um ein Passwort zu knacken. In einigen Jahren jedoch könnten Quantencomputer so leistungsfähig sein, dass sie jedes Passwort knacken könnten. Deshalb müssen die Forscher unbedingt in eine neue, quantensichere Kryptografie investieren. Die Quantentechnologie ist jedoch ein zweischneidiges Schwert, da sie nicht nur jedes Passwort knacken kann, sondern auch in der Lage ist, neue, unknackbare kryptografische Schlüssel zu erzeugen. Der Raum bewegt sich schnell, um diese neue Realität zu berücksichtigen. Da klassische Computer weiterhin relevant bleiben werden, muss es auch für diese eine quantensichere Kryptografie geben. Dies ist möglich, und Unternehmen haben bereits damit begonnen, ihre Daten auf klassischen Computern auf diese Weise zu sichern.

Vorbereitungen für eine Quantenzukunft

Google, IBM und eine Reihe von Start-ups hoffen, ihre Kapazitäten im Bereich der Quanteninformatik jedes Jahr verdoppeln zu können. Dies bedeutet, dass einige Unternehmen in die Fußstapfen von Barclays, BASF, BMW, Dow und ExxonMobil treten müssen, die bereits in der Quantentechnologie aktiv sind.

Es ist klar, dass nicht jeder Sektor in gleicher Weise profitieren wird. Sektoren wie Pharma, Finanzen, Reisen, Logistik, globale Energie und Werkstoffe profitieren möglicherweise früher als andere. Das bedeutet auch, dass sich die Akteure in diesen Bereichen schnell rüsten müssen, wenn sie nicht von ihren Konkurrenten abgehängt werden wollen.

Wenn es strategisch sinnvoll ist, sollten es Unternehmen in diesen Sektoren den Vorreitern wie Barclays oder ExxonMobil gleichtun und intern ein Team von Quantum-Talenten aufbauen. Derartige Talente sind bereits knapp, und es ist ziemlich unwahrscheinlich, dass die Universitäten mit der steigenden Nachfrage Schritt halten können. Als Alternative könnten sie eine direkte Partnerschaft mit Unternehmen in Erwägung ziehen, die Quantentechnologien entwickeln, was ihnen später einen Wettbewerbsvorteil verschaffen könnte.

Das bedeutet natürlich nicht, dass diese Unternehmen aufhören werden, klassische Computer zu benutzen. Vielmehr wird ihnen das Quantencomputing enorme Vorteile bei bestimmten Aufgaben bringen, z. B. bei der Entwicklung von Arzneimitteln, im Finanzwesen und anderen Bereichen.

Im Gegensatz zu den Unternehmen, die vom Aufkommen der Quantentechnologie profitieren werden, müssen andere in Möglichkeiten investieren, um sich vor ihr zu schützen. Insbesondere Unternehmen mit langlebigen Datenbeständen sollten in quantensichere Kryptografie investieren, um sich vor künftigen Angriffen zu schützen. Das bedeutet nicht, dass sie in absehbarer Zeit Quantencomputer einsetzen müssen, aber sie sollten dafür sorgen, dass sie vor künftigen Quantenangriffen sicher sind. Die betroffenen Sektoren reichen von der Luft- und Raumfahrttechnik über die pharmakologische Entwicklung bis hin zu sozioökonomischen Daten für die Marktforschung.

Kurz gesagt, Unternehmen in vielen verschiedenen Sektoren müssen sich rüsten. Einige, weil sie von der Quanten-Technologie profitieren werden, wenn sie sie einsetzen, andere, weil sie der Bedrohung einen Schritt voraus sein müssen. In jedem Fall riskieren Unternehmen, die sich die Möglichkeiten dieses neuen Quantenklassik-Hybrids nicht zunutze machen, den Anschluss zu verlieren.

Die Quanteninformatik wird nicht die Welt erobern. Aber es wird in den nächsten ein oder zwei Jahrzehnten einen großen Einfluss haben, wenn es mit klassischen Computern zusammenarbeitet.