Hybrides Modell der besonderen Art
Quanten-Computing und die Cloud
Die Quanten-Technologie eröffnet in verschiedenen Bereichen ganz neue Möglichkeiten. Das gilt auch für das Zusammenspiel mit Cloud-Computing. Doch noch sind einige Herausforderungen zu meistern.
Mit den Fortschritten in der Computer-Technologie wird Quanten-Computing die bisherigen Grenzen hinsichtlich Innovation überschreiten. Seine rasante Entwicklung in den letzten Jahren hat es zu einem potenziellen Wegbereiter in hochentwickelten Bereichen wie Kryptografie, Simulation oder künstliche Intelligenz (KI) gemacht. Wissenschaftler sind der Meinung, dass das Quanten-Computing (QC) bereits an der Schwelle zum Mainstream steht.
Quanten-Computing und seine Vorteile verstehen
Quanten-Computing basiert auf den Prinzipien der Quantenmechanik. Quantum bezieht sich auf die kleinste Einheit in der Quantenphysik. Dabei werden die physikalischen Gesetze genutzt, die auch beim Quanten-Computing zur Anwendung kommen. Dies macht es zu einem sehr nützlichen, robusten und sicheren Rahmen für Anwendungen wie die Kryptografie. Ein weiterer Vorteil der Quanten-Computer: Sie befassen sich mit Prinzipien auf subatomarer Ebene und sind daher für die Batterie-, Material- und Chemieforschung sowie für Anwendungen in der Industrie besonders geeignet, zum Beispiel in der Pharmazie.
Aufgrund der linearen Ausführung klassischer Computer benötigt die Lösung komplexer Probleme eine hohe Anzahl an Prozessoren. Quanten-Computer helfen dabei, diese Lücke zu schließen, indem sie Qubits bereitstellen. Diese bieten eine robuste Recheneinheit, um komplexe Probleme zu lösen. Der Grund: Quanten-Computer verwenden keine Binärzahlen, sondern Qubits stellen jeden Wert zwischen 0 und 1 dar. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bits können Qubits mehrere Zustände annehmen, was gleichzeitige Berechnungen ermöglicht. Dadurch erledigen sie Aufgaben deutlich schneller und effektiver als binäre Computer.
Quanten-Computing ist zu einem großen Teil auch für den derzeitigen Boom im Hinblick auf KI verantwortlich, die Daten und Algorithmen zum Erlernen von Mustern verwendet, um Roboter zu trainieren. Die KI erhält durch Quanten-Computing einen rechnerischen Schub. Dieser ermöglicht es der KI, immer schwierigere Probleme in einer Vielzahl von Branchen und Disziplinen anzugehen.
So wird das Quanten-Computing zum Beispiel für verschiedene Anwendungen eingesetzt, die den Energiesektor grundlegend verändern. Die für die Wartung, Verarbeitung und Optimierung von Energiesystemen benötigte Datenmenge nimmt mit dem Wachstum der weltweiten Energienetze exponentiell zu. Damit steigt auch die Belastung für die Sicherheits- und Verbindungssysteme der Netze. Der Einsatz von Chemie, Cybersicherheit, Quanten-Simulation, Optimierung und Machine Learning (ML) sind nur einige Beispiele dafür, wie das Quanten-Computing einen Wandel in der Branche einleitet.
Vielfach höhere Wirkung von Quanten mit Cloud
Quanten-Cloud-Computing (QCC) bezieht sich auf die Nutzung von entfernten Quantenressourcen. Anwender sind so in der Lage, auf Quanten-Computer-Ressourcen – wie Simulatoren oder Prozessoren – zuzugreifen, ohne ein physisches Quanten-Gerät zu besitzen oder zu betreiben. So lässt sich von traditionellen Rechnern auf Quanten- oder cloudbasierte Anwendungsplattformen zugreifen. In einer hybriden Umgebung würden klassische Computer mit Quanten-Computern interagieren und bestimmte Berechnungen durchführen. Aufgrund der hohen Rechenleistung reicht ein einziger Quanten-Computer mit den erforderlichen Qubits aus, um Simulations-, Optimierungs- oder maschinelle Lernprobleme zu lösen. Der Quanten-Computer bleibt allerdings nur für einen kurzen Zeitraum stabil, um die Ergebnisse darzustellen. Daher ist er ein wichtiger Faktor für QCC, der berücksichtigt werden muss.
Dennoch ist diese Hybrid-Technologie auf dem Vormarsch. Die Vorteile des Cloud Computing in der Kombination mit Quanten Technologie ist eine höhere Produktivität durch verbesserte interne Effizienz. Der Grund: Quanten-Clouds sind in der Lage, komplexe Berechnungen schneller und genauer durchzuführen als klassische Clouds. Darüber hinaus verbessert sich die Business Intelligence, da Quanten-Clouds große und vielfältige Datensätze analysieren und somit Erkenntnisse für die Entscheidungsfindung liefern können.
QCC gibt auch bestimmten Formen der digitalen Transformation einen Schub. Mit QCC können Unternehmen und Organisationen beispielsweise das Potenzial des Quanten-Computings nutzen, um innovative Lösungen für schwierige Herausforderungen zu finden. Gleichzeitig sind sie in der Lage, ihre Abläufe effizienter zu gestalten. Quanten-Kommunikation und -berechnung sind weitere Bereiche, in denen QCC Unternehmen unterstützen kann.
Während QCC noch Zukunftsmusik ist und nur wenige Unternehmen derzeit investieren, bieten Unternehmen wie IBM, Amazon, Google, Microsoft, Rigetti, Xanadu, IonQ, QuEra, OQC und Quandela Forschern, Entwicklern, Lehrkräften und Enthusiasten Zugang zu Quanten-Hardware, Simulatoren, Emulatoren und Tools. Um die Entwicklung und den Einsatz von Quanten-Algorithmen in der Cloud zu erleichtern, bieten einige dieser Anbieter auch Zugang zu quantenspezifischen Programmiersprachen, Bibliotheken und Frameworks an.
Die Zukunft: vielversprechend, aber reich an Herausforderungen
- Komplexität: Die Quanten-Informatik erfordert eine entsprechende Ausbildung und Schulung. Aufgrund dieser Komplexität kann es für Anwender schwierig sein, Zugang zu Cloud-basierten Quanten-Computing-Ressourcen zu erhalten und diese zu nutzen.
- Skalierbarkeit: Sowohl bei Quanten-Computern als auch bei herkömmlichen Rechnern ist die Skalierbarkeit oft ein Hindernis. Quanten-Computer in Cloud-Computing zu integrieren, ist allerdings nochmals komplexer. So ist beispielsweise eine Hochgeschwindigkeitskommunikation mit geringer Latenz zwischen Quanten- und herkömmlichen Komponenten ebenso notwendig wie eine dynamische Verwaltung und Zuweisung von Ressourcen.
- Hardware- und Software-Entwicklung: Angesichts des technischen Charakters von Quanten-Computing benötigen Unternehmen die entsprechende Expertise, um Lösungen bereitzustellen. Die Entwicklung von der passenden Hardware und Software, die hochwertige Qubits, Fehlerkorrektur und Skalierbarkeit unterstützen, ist eine große technische Herausforderung. Hybrid-Computing, das die „Zusammenarbeit“ von Quanten- und herkömmlichen Computern forciert, könnte einige dieser Probleme lösen. Hybrid-Computer kombinieren eine leistungsfähige analoge Einheit für Berechnungen und einen großen digitalen Speicher. Sie werden je nach Anwendung und Verarbeitungsbedarf gebaut und in bestehende Infrastrukturen integriert.
Sreekumar Sreedharan ist Vice President and Service Offering Head, Oracle Practice, bei Infosys
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