Wettlauf um den Quantencomputer Das nächste große Ding

IBM, Google und Co. liefern sich ein erbittertes Wettrennen um den ersten Quantenrechner. Er wäre viele Millionen Mal schneller als alle herkömmlichen Computerchips - und würde den Pionier reich machen.

Stoff für Fantasien: Quantencomputer-Kunstwerk
D-Wave Systems Inc.

Stoff für Fantasien: Quantencomputer-Kunstwerk

Von manager-magazin-Redakteur


Das folgende Porträt stammt aus der Juli-Ausgabe des manager magazins. Wir veröffentlichen es hier ausnahmsweise als Kostprobe auch für Nicht-Käufer des Magazins. Damit Ihnen künftig keine "Wirtschaft aus erster Hand" mehr entgeht, empfehlen wir ein Heft-Abo.

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Kälter als im Weltall muss es sein, damit IBMs Wunderchip zu rechnen beginnt. Eine Heliumpumpe kühlt den weißen Zylinder, in dem er steckt, auf minus 273 Grad Celsius. Ein großer Kühlschrank, dessen dumpfer Sound an eine alte Waschmaschine erinnert. Weitere Arbeitsbedingungen: Vakuum, vollkommen abgeschirmt von der Außenwelt.

Noch kann der Prozessor erst einfache Aufgaben rechnen, doch Jerry Chow ist schon sehr stolz auf sein Baby. Die Technologie sei wirklich "sehr, sehr spannend", schwärmt der Physiker.

Der Yale-Absolvent, 32 Jahre alt, Brille, kurze schwarze Haare, ist seit sechs Jahren bei IBM Chart zeigen. Er arbeitet als leitender Wissenschaftler in einer der wichtigsten Forschergruppen des Konzerns. Ihr Ziel: die Konstruktion des ersten universellen Quantencomputers.

Bereits an der Universität forschte Chow daran, die Technologie ist sein Lebensthema. Er führt durch ein Labor in IBMs T. J. Watson Research Center in Yorktown Heights. In der Mitte hängt der Zylinder mit dem Wunderchip, umringt von Messgeräten und Bildschirmen, in der linken Ecke arbeitet ein langhaariger Nerd im Blumenhemd an der passenden Software.

Fundamentale Veränderungen erwartet

Auch IBMs Supercomputer und "Jeopardy"-Meister Watson wurde in Yorktown Heights entwickelt, einem ufoförmigen Designbau, 66 Kilometer nördlich von New York City. Das neue Projekt soll nicht bloß die künstliche Intelligenz vorantreiben, es könnte eine neue Epoche in der Informationstechnologie einläuten. Ein Quantencomputer würde Watsons Rechenleistung millionenfach übertreffen.

Der österreichische Experimentalphysiker und Quantenexperte Rainer Blatt sagt bereits das "Jahrhundert der Quantentechnologie" voraus, das sowohl Wirtschaft als auch Gesellschaft fundamental verändern werde: "Wir beginnen gerade erst zu verstehen, was uns durch diese Revolution an Möglichkeiten erwächst."

Zugegeben, für Nichtphysiker ist dieser Entwicklungssprung nur schwer nachvollziehbar, zu skurril erscheinen Outsidern die Gesetze der Quantenphysik. Ein Quantenchip arbeitet mit supraleitenden Metallen (IBM setzt etwa auf Niobium), benötigt quantentaugliche Algorithmen und profitiert von einem Phänomen namens Superposition: Während normale Chips im Grunde aus Transistoren bestehen, die entweder ein- oder ausgeschaltet sind (1 oder 0), kann ein Quantenprozessor beide Zustände gleichzeitig abbilden. Das ist eine seiner großen Stärken.

Wettlauf der Tech-Konzerne

IBM investiert Jahr für Jahr Millionen Dollar in die neue Technologie, Chows Quantenteam wächst beständig. Denn die Konkurrenz ist groß und damit die Angst, den Wettlauf um das erste marktfähige Modell zu verlieren. Ob Big Blue, Google Chart zeigen, Intel Chart zeigen oder Microsoft Chart zeigen:– kaum ein US-Tech-Grande, der bei dieser bahnbrechenden Innovation nicht mitmischt.

Seit Google im Dezember 2015 verkündete, einen Quantencomputer gebaut zu haben, der "hundert Millionen Mal" schneller sei als gewöhnliche Chips, hat das Rennen noch einmal Fahrt aufgenommen. Mitte Mai hat die EU-Kommission verkündet, im Rahmen eines Quantenmasterplans eine Milliarde Euro in die Technologie zu pumpen.

Die ökonomische Bedeutung der Technologie ist immens: Sie könnte die einzige Chance sein, die Rechenleistung von Computern überhaupt noch zu beschleunigen, sagt Mark Ritter, der Chef der IBM-Quantenabteilung.

Gigantische Einsatzmöglichkeiten

Quantenchips wären nicht nur deutlich schneller als konventionelle Prozessoren, sie könnten dank ihrer besonderen Eigenschaften auch Probleme lösen, an denen heute selbst Superrechner wie Watson scheitern. Das Einsatzfeld wäre gigantisch: Ein Quantencomputer, so glauben Experten, würde die Arzneientwicklung ebenso revolutionieren wie das Finanzwesen –- und der künstlichen Intelligenz zum lang ersehnten Durchbruch verhelfen.

Selbst Kryptografen fiebern dem Quantenchip entgegen. Der könnte Verschlüsselungen knacken, die bislang als Goldstandard der IT-Sicherheit galten. Gleichzeitig wäre ein Quantencode wohl der sicherste der Welt. Es wäre physikalisch unmöglich, ihn zu entschlüsseln.

Chinas Regierung hat unlängst zwischen Peking und Shanghai eine 2000 Kilometer lange Spezialleitung installieren lassen, damit sich die Volksrepublik auf dem Gebiet der Quantenkryptografie an die Spitze setzen kann. Der US-Auslandsgeheimdienst NSA soll laut einem Slide aus Edward Snowdens Aktenschatz ein eigenes Entwicklungsprojekt vorantreiben. IBM konnte dazu im Dezember Fördermittel des Geheimdienstfonds IARPA einwerben. Die Technologie wäre für Spione Traum und Albtraum zugleich.

Befreiung für die Halbleiterindustrie

Für die Halbleiterindustrie käme der Sprung ins Quantenzeitalter einer Befreiung gleich. Bislang presste die Chipindustrie jedes Jahr mehr Transistoren auf immer kleinere Chips. Computer wurden so regelmäßig schneller –und handlicher.

Bereits 1965 sagte der Intel-Mitgründer Gordon Moore voraus, dass sich die Leistungsfähigkeit von Computerchips so alle ein bis zwei Jahre verdoppeln werde. Das Mooresche Gesetz wurde zum zuverlässigen Taktgeber und Wachstumsgaranten der Branche. Auch wenn es in Wahrheit vor allem eine Wette auf deren Innovationskraft war.

Denn Moores Prophezeiung stößt allmählich an physikalische Grenzen. Den Herstellern fällt es zunehmend schwerer, Schaltkreise zu entwickeln, die kleiner als die derzeit möglichen 14 Nanometer sind.

Zusammenarbeit mit Universitäten

Quantenprozessoren könnten diese Kette sprengen und damit der gesamten IT-Industrie zu einem neuen Wachstumsschub verhelfen. Was viele Konzerne dringend benötigen. So leidet Intel seit Längerem unter dem darbenden PC-Geschäft.

Der Chipgigant initiierte im Herbst 2015 eine 50 Millionen Dollar schwere Partnerschaft mit der Technischen Universität Delft, seither forschen die Quantenspezialisten gemeinsam mit Intel-Ingenieuren am nächsten großen Ding. Zuvor ist schon der Softwarekonzern Microsoft mit den Niederländern eine Quantenliaison eingegangen. "Für die Unternehmen ist das die Chance, relativ früh bei einer technologischen Revolution dabei zu sein", sagt Lieven Vandersypen, leitender Physikingenieur an der TU Delft.

In der kanadischen Kleinstadt Burnaby, 15 Kilometer östlich von Vancouver, sitzt jene Firma, die neben IBM wie keine zweite für den Quantenvormarsch steht. D-Wave Systems startete als Spin-off der örtlichen Universität und machte sich mit cleverem Marketing einen Namen.

Kampfjets und Medikamente

2011 präsentierte die Firma den angeblich ersten kommerziellen Quantencomputer der Welt –- was die Fachwelt umgehend infrage stellte. Es folgten mehrere Finanzierungsrunden -– und eine Titelgeschichte im "Time Magazine" –, bei denen mehr als 160 Millionen Dollar Risikokapital eingesammelt werden konnte. Neben der CIA und Goldman Sachs Chart zeigen hat sich auch Amazon-Gründer Jeff Bezos über seinen privaten Wagnisfonds an D-Wave beteiligt.

Die Wundermaschine der Kanadier, zehn bis 15 Millionen Dollar teuer und in einem raumfüllenden schwarzen Gehäuse verpackt, ist auf sogenannte Optimierungsprobleme spezialisiert. Sie sucht – kurz gesagt – in großen Datenmengen nach idealen Lösungen. Die US-Weltraumbehörde Nasa präzisiert damit die Planung ihrer Missionen ins All, Lockheed Martin spürt mit dem D-Wave-2X Bugs in der Steuerungssoftware seiner Jets auf. Millionen Zeilen von Codes lassen sich so schneller mit relevanten Szenarien abgleichen. Bei einer F-16 können selbst kleinste Fehler tödlich enden.

D-Wave
D-Wave Systems

D-Wave

Der Kampfflugzeughersteller hat bislang nach jeder Präsentation einer neuen Chipgeneration in Burnaby ein Upgrade bestellt, er ist einer der wenigen Kunden, die sich einen eigenen Rechner haben liefern lassen. Das Gros der Klienten nutzt den firmeneigenen Serverpark in Vancouver via Cloud. Preise, Umsätze oder weitere Namen von Kunden hält das Unternehmen geheim.

Quantenglühen als Vorstufe

D-Waves Prozessoren basieren auf einer Methode namens Quantenglühen. Verglichen mit den aufwendigen Technologien, an denen IBM oder Intel arbeiten, ist der Ansatz simpel und auf die Lösung weniger Aufgaben beschränkt. "Wir haben auf ein robustes und skalierbares Modell gesetzt", sagt Jeremy Hilton, der bei D-Wave die Prozessorentwicklung leitet. Anders hätte das Start-up gar keine Chance gehabt.

Die Simulation ganzer Molekülketten –- eine der größten Verlockungen der Quantentechnologie -– ist mit dem D-Wave-Rechner jedoch unmöglich. Von jeher träumen Physiker davon, die Theorien von Max Planck oder Erwin Schrödinger in der Praxis zu testen.

Ein Quantencomputer wäre dazu grundsätzlich in der Lage. Er könnte die Realität auf atomarer Ebene simulieren. Der hochkomplexe Tanz der Elektronen würde zu einer berechenbaren Funktion. Neue Medikamente oder Materialien könnten am Bildschirm entworfen und getestet werden, das teure Trial-and-Error, etwa in der Pharmaindustrie, entfiele.

IBM-Forscher Mark Ritter hofft, auf diese Weise eine Metalllegierung zu entdecken, mit der sich Strom verlustfrei übertragen lässt. Die Einsparungen wären immens, einige Industriezweige stünden vor goldenen Zeiten. "Die Zukunft verspricht wild zu werden", sagt Ritter.

Turbolader für Moonshots

Google, das sich bereits seit 2013 einen D-Wave-Rechner mit der Nasa teilt, ist so sehr von dem Potenzial der Technologie überzeugt, dass es parallel an einer Eigenentwicklung arbeitet. 2014 warb der Konzern den Quantenforscher John Martinis von der Universität in Santa Barbara ab, seitdem tüftelt er im hausinternen Labor für künstliche Intelligenz ("A.-I.-Lab") an einem Chip, ähnlich dem von IBM.

Ob selbstfahrende Autos, denkende Roboter oder Arzneien, die den Krebs besiegen –- für viele von Googles "Moonshots" käme der Quantencomputer einem Turbolader gleich. Er würde das Training der Software, das sogenannte Maschinenlernen, immens beschleunigen und einen heute noch unvorstellbaren Grad an Realitätstreue in den Simulationen ermöglichen. Denn eine Software, die Gesichter oder Straßenschilder erkennen soll, muss zuvor Millionen von Beispielbildern durchgehen, bevor sie einigermaßen zuverlässig ist. Je detaillierter die Bilder, desto größer die Datenflut.

Google-Forscher Martinis gibt sich Valley-typisch selbstbewusst und will bereits in den nächsten zwei bis drei Jahren einen ersten marktreifen Quantencomputer präsentieren, der konventionellen Rechnern überlegen ist. Googles CEO Sundar Pichai dürfte an dieses Versprechen gedacht haben, als er verkündete, dass "Maschinenlernen der transformative Weg" sei, mit dem "wir alles, was wir tun, neu denken".

Think Quantum

Die heutigen Quantenchips sind noch fehleranfällig und bestehen aus wenigen "Qubits", den Quantenpendants konventioneller Bits, der kleinsten Einheit digitaler Informationsverarbeitung. IBM arbeitet mit acht und will bald auf 16 Qubits aufstocken. Ab 50 Stück winkt der Durchbruch.

Um die Entwicklung der speziellen Software zu beschleunigen, die für einen Quantencomputer nötig ist, hat der Konzern den Zugang zu einem seiner Computer Anfang Mai sogar via Cloud geöffnet. Programmierer sollen sich an die neue Denkweise gewöhnen ("Think Quantum").

Jerry Chow, der Yale-Physiker im IBM-Labor, fantasiert schon von Quantencomputern, die sich via iPhone fernsteuern lassen, und von quantenoptimiertem Düngemittel, das die Welternährung sicherstellt. Dabei kann das Potenzial der Technologie auch Bange machen. Ein hypersmarter Watson, der in Superschurkenmanier die Weltherrschaft an sich reißt, taucht in Chows Träumen aber nicht auf. Noch nicht.

Zusammengefasst: Die großen Tech-Konzerne liefern sich ein Wettrennen um den Quantencomputer. Die neue Technologie wird die Welt radikal verändern, denn erstmals wäre es möglich, die Realität auf atomarer Ebene zu simulieren. Ein Quantencomputer würde die Rechenleistung von IBMs aktuellem Supercomputer Watson millionenfach übertreffen. Noch stecken die Quantenchips in den Anfängen, um die Entwicklung zu beschleunigen arbeiten die Konzerne mit Universitäten zusammen. IBM hat sogar den Zugang zu einem seiner Computer via Cloud geöffnet.



insgesamt 39 Beiträge
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Seite 1
jot-we 29.08.2016
1.
Der Begriff der 'Superposition' scheint mir aber doch arg verkürzt dargestellt - überhaupt dürfte für den Autor gelten, was er seinen Lesern flott unterstellt: ein ziemliches Unverständnis, was Quantenphänomene betrifft (und was daher fürsorglich auch nicht weiter erläutert werden muss) ...
Ringmodulation 29.08.2016
2. Hier werden Planungen als Tatsachen dargestellt
Lockheed Martin hat testweise uralten Code mit einem bekannten Fehler an D-Wave geschickt, um zu sehen, ob diese den Fehler finden. Das gelang tatsächlich (nach 6 Wochen). Daraufhin investierte Lockheed Martin umfangreich in D-Wave. Neue, noch unbekannte Fehler konnten bisher noch nicht gefunden werden. Hier beschönigt und übertreibt der Artikel -- wohl, um an einem Hype zu partizipieren.
betonklotz 29.08.2016
3. Jetzt mal die Kirche im Dorf lassen.
Das dei Entwickler sehr optimistische Prognosen abgeben, geschenkt. Klappern gehört schließlich zuum Handwerk. Das Potential ist unbestritten enorm, aber man kann da locker noch mit ein paar Jahrtzehnten rechnen, ehe man es wirklich abrufen kann. Zwar wächst die theoretische Rechenpower eines solchen Ansatzes exponentiell mit der Anzahl der Q-Bits (das ist gerade das Besondere daran) aber der Aufwand ist, wie beschrieben, enorm und wird sich nicht nennenswert verkleinern lassen. Und dieser Aufwand wächst ebenfalls mit der Zahl der Q-Bits, und zwar stärker als linear (wenn auch schwächer als exponoentiell). Das Grundproblem ist, daß solche Geräte extrem empfindlich gegenüber äußeren Strörungen sind, das ist prinzipbedingt und deshalb nicht zu vermeiden.
noalk 29.08.2016
4. tiefe Temperaturen
Der Artikel beginnt mit einem Absatz über Temperaturen nahe dem Nullpunkt der Kelvin-Skala, als ob das heute noch eine technische Herausforderung sei. Das ist heutzutage pillepalle. Sowas braucht man eigentlich gar nicht mehr zu erwähnen. "Niobium": auf deutsch "Niob". Na gut, der Übersetzer hat offensichtlich vom Thema keine Ahnung, schreibt aber drüber. Für mich ist das keine Werbung für das Magazin.
tomxxx 29.08.2016
5. Physikalisch spannend...
aber in der Wirtschaftswissenschaft heisst es: Pioniere sterben einsam...
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