Quantum Computing

Quantum Computing bündelt Ideen aus der klassischen Informationstechnologie, Computerwissenschaften und der Quantenphysik. Quanten-Computer lösen aufgrund ihrer immensen Rechenleistung komplexe Probleme, die klassische Computer nicht angehen können.

• Klassischer Computer
• Datenverarbeitungsprozesse eines klassischen Computers basieren auf Grundlagen der klassischen Physik
• Informationen werden über Bits gesteuert, welche entweder Werte von 0 oder 1 annehmen
• Computerprogramm manipuliert die Bits in einzelnen Rechenschritten über Verknüpfungen und berechnet somit Ergebnis
• Quanten-Computer
  • Datenverarbeitungsprozesse basieren auf Gesetzen der Quantenphysik
  • Quanten-Computer steuert Informationen über Qubits
  • Qubits können sich miteinander verschränken und so unendlich viele Zustände zwischen 0 und 1 gleichzeitig annehmen
  • Quantenphysik ermöglicht es, mehrere Rechenoperationen gleichzeitig durchzuführen und so komplexe Probleme zu lösen
  • Je mehr Qubits ein Quanten-Computer hat, desto besser ist dessen Rechenleistung (diese steigert sich exponentiell)
  • Leistungsfähigster Quanten-Computer aktuell (Stand 04/2022): „Eagle“ von IBM mit 127 Qubits

Aufgrund der hohen Rechenleistung ist ein Quanten-Computer geeignet für

• Simulation und Optimierung für Prozessparameter und technischen Systementwurf (Simulation von Molekülen und Materialien)
• Quanten-Bildverarbeitung für die schnellere Analyse großer Pixelmengen (Detektion von qualitätsrelevanten Bildmerkmalen)
• KI in der Produktionstechnik für die Vorhersage und Analyse (Training von Modellen und unterschiedlichen Quantum-Computing Plattformen)

• Automobilbranche (Beispiel: BMW)
• Optimierung der Sensorpositionen für automatisierte Fahrfunktionen
• Simulation von Material-Deformation im Produktionsprozess
• Maschinelles Lernen für automatisierte Qualitätsanalysen
• Luftfahrindustrie (Beispiel: Airbus)
• Verwendung von Quantum Computing für Strömungsberechnung und Störmungsdynamik, um Verhalten der Luftströmung um Flugzeug zu analysieren
• Schnellere Modellierung von Flugzeugen in kleinen oder großen Teilen für Optimierung von neuen und effizienteren Designs
• Chemieindustrie (Beispiel BASF):
• Simulation und Vorhersage von Verhalten von komplexen Molekularsystemen werden erreicht ohne Kompromisse bei Genauigkeit des Ergebnisses, die es bei klassischen Computern gibt.

Herausforderungen

• Rechenleistung funktioniert nur so lange perfekt, solange Quanten-Computer von Umgebung isoliert ist und Qubits ungestört bleiben (Kühlung und Vakuum nötig)
• Passende Hardware-Plattform und Architektur für Quanten-Computer müssen noch weiterentwickelt werden
• Quantum Computing kann auch im Bereich Kryptographie eingesetzt werden, was Cyberkriminalität erhöhen könnte, da Passwörter nicht mehr sicher sind

Chancen

• Unter bestimmten Bedingungen können mehrere parallele Rechenoperationen ausgeführt werden, für die selbst Supercomputer Jahrzehnte bräuchten
• Nachteil der Empfindlichkeit der Quantenpartikel kann zu Vorteil werden, bspw. zur Diagnose von Krankheiten (Qubits werden als super sensible Sensoren eingesetzt, um einzelne Atome von fehlerhaften Proteinen, die möglicherweise zu Krebs ausarten, präzise wahrnehmen zu können, dafür stellen sie sich genau auf Schwingungen eines speziellen Atoms ein)
• Öffentliche Fördergelder (in DE bis 2020 2,7 Mio. Euro) nehmen zu, Marktvolumen könnte weltweit bis 2024 auf über 280 Mio USD ansteigen

• Zapata
• IBM
• Q.ant

• Quantensimulation
• Quantensensorik
• Quantenkommunikation