Quanten-Power aus der Cloud: Warum Quantencomputer keine Spielerei sind

Oft ist zu lesen, der Weg zum Quantencomputing sei für Unternehmen noch weit und nahezu ungangbar. Zwar hat das (Qutac) im Herbst 2021 vermeldet, Quanten-Computing sei nicht länger nur ein wissenschaftliches Thema, sondern habe das Stadium der Industrialisierung erreicht. Doch hinter dem im Juni 2021 gegründete Konsortium stehen mittlerweile zwölf deutsche Konzerne vom Schlage einer BASF, Volkswagen oder Siemens. Mit entsprechendem IT-Budget.

Können hier mittelständische Unternehmen mitziehen? Wie sollten sie anfangen, erste Erfahrungen zu sammeln, um Quanten-Computing in nutzbare industrielle Anwendungen weiterzuentwickeln? Tatsächlich sind heute schon erste Quantencomputer in der Cloud verfügbar sowie Frameworks, mit denen Programmierer*innen entsprechenden Code schreiben können. Das wäre ein gangbarer Weg ohne hohe Investitionen in Hardware.

Quantencomputer bieten durch Nutzung quantenmechanischer Effekte für bestimmte Klassen von Problemen eine deutlich höhere Rechengeschwindigkeit als herkömmlich Systeme.

Aber sie haben eine Eigenheit: Quantencomputer sind Spezialisten. Sie spielen ihre Stärken bei Problemstellungen aus, bei denen viele mögliche Kombinationen zu analysieren sind. Dies ist insbesondere bei Optimierungsproblemen der Fall.

So hat eine Universität in den USA zum Beispiel die elektromagnetischen Pulssequenzen von Kernspintomographen optimiert. Die Fachleute analysierten mit Unterstützung von Microsoft eine große Zahl von Kombinationen solcher Sequenzen. Das Ergebnis war eine Impulsfolge, welche die Dauer einer Untersuchung von 45 auf 15 Minuten reduziert, und das mit einer 30 Prozent höheren Genauigkeit. Einen Eindruck von der Lösung vermittelt dieses zweiminütige Video aus dem Universitätsklinikum.

Vergleichbare Anwendungsfelder finden sich in vielen Branchen: Verkehrsplaner*innen können komplexe Verkehrsströme simulieren, Unternehmen das Flottenmanagement und Lieferketten optimieren oder neue Werkstoffe entwickeln. In all diesen Bereichen sind komplexe Prozesse mit einer Vielzahl von Variablen anzutreffen.

Daher sollten Unternehmen nun prüfen, wie sie diese Technologie nutzbringend einsetzen können. So eignen sich Quantensysteme perfekt dafür, um Monte-Carlo-Simulationen durchzuführen. Diese sagen voraus, wie sich bestimmte Faktoren auf den Aktienkurs, die Umsatzentwicklung und die Preisgestaltung eines Unternehmens auswirken können. Business-Entscheider*innen können dadurch proaktiv die Geschäftsstrategie anpassen.

IT-Fachleute wiederum haben die Möglichkeit, mit Quantensystemen die IT-Umgebung zu optimieren, etwa unter Gesichtspunkten wie Digitalisierung, Kosteneffizienz, Sicherheit und Umweltverträglichkeit. Angesichts immer komplexerer IT-Umgebungen mit virtualisierten Ressourcen und Hybrid- und Multi-Clouds stoßen herkömmliche Tools dabei an Grenzen. Der Forscher Matthias Troyer hat anlässlich einer Veranstaltung zu High-Performance-Computing die Vorteile von Quanten-Systeme erläutert und verschiedene Szenarien dargelegt.

Für erste Tests ein eigenes Quantensystem zu beschaffen, ist jedoch nicht praktikabel. Alternativen sind die Angebote von Cloud-Providern wie Azure Quantum von Microsoft: Anwender*innen erhalten Zugriff auf Quantenrechner über eine hoch skalierbare und sichere Cloud-Plattform und zahlen nur für Ressourcen, die sie nutzen. Damit können Unternehmen sofort und mit überschaubarem Aufwand Software für Quantensysteme entwickeln und testen.

Quantenrechnern führender Anbieter. Auf diese Weise können sie schnell und mit überschaubarem Aufwand Erfahrungen mit solchen Systemen sammeln und sich Einsatzmöglichkeiten erarbeiten.


Foto: Microsoft

Zu diesem Zweck stehen über Azure Quantum die Quantum-Computing-Plattformen führender Anbieter zur Verfügung, darunter Quantinuum, IonQ, qci, Rigetti, 1QBit und Toshiba – und natürlich von Microsoft.

Die Partner sind Teil eines offenen Ökosystems, das Microsoft gerade aufbaut. Darin können Nutzer*innen ihren Programmcode auf unterschiedlichen Systemen testen, ohne den Code ändern zu müssen. Mehr über den Aufbau von Azure Quantum erfahren Sie hier.

Darüber hinaus stehen in Azure auch Quantensimulatoren bereit. Diese Rechner basieren auf klassische Computerarchitekturen, arbeiten aber mit speziellen CPUs oder Grafikprozessoren. Sie simulieren Quanteneffekte und können Optimierungsprobleme deutlich schneller lösen als herkömmliche Systeme.

Zusammen mit seinen Partnern arbeitet Microsoft zudem an Branchenlösungen, etwa für die Industrie. Auf diese Weise erhalten Partner die Möglichkeit, ihren Kunden maßgeschneiderte Quantum-Computing-Angebote zur Verfügung zu stellen.

Damit Fachleute passende Algorithmen entwickeln können, stellt Microsoft mit dem (QDK) ein entsprechendes Open-Source-Framework für Entwicklungs-Teams bereit. Es enthält einsatzfertige Bibliotheken und Simulatoren, mit denen Entwickler*innen Teile ihres Programms auch ohne Zugriff auf Quantum-Computing-Hardware implementieren, testen und ausführen können.

Wer sich einen Eindruck verschaffen möchte, wie weit die Programmiermöglichkeiten bereits gehen, kann einen Blick in diesen fünfstündigen Developer-Workshop für Azure Quantum werfen.

Natürlich dauert es noch einige Jahre, bis Quantencomputer auf breiter Basis verfügbar sind. Aber absehbar ist, dass solche Systeme eine zentrale Rolle in der Wirtschaft spielen werden. Wer sich daher jetzt fragt, wie er das Quanten-Zeitalter für sein Unternehmen nutzen kann, findet hier Lernressourcen, Entwicklungs-Tools sowie Zugang zu Communityprojekten.