Quantencomputing: Use Cases für die Zukunft der Datenverarbeitung

Die Technologie des Quantencomputing hat in den letzten Jahren einen beachtlichen Kapitalzufluss erlebt. Dieser stieg von 93,5 Millionen Dollar im Jahr 2015 auf 3,2 Milliarden Dollar im Jahr 2021. VC und privates Kapital machen dabei mehr als 70% der Investitionen aus. Obwohl dieses Jahr bisher eher ruhig für VCs verläuft, gibt es dennoch einige große Investitionen im Quantencomputing, die erwähnenswert sind. Das israelische Start-up Quantum Machines gab Anfang Mai 2023 eine Erweiterung von 20 Millionen Dollar zu der 50 Millionen Dollar schweren Serie-B-Finanzierungsrunde bekannt, die es letzten September aufgelegt hatte. Ähnliche Ankündigungen kamen vom in Paris ansässigen Quantencomputing-Start-up PASQAL, das in einer Serie-B-Finanzierungsrunde 100 Millionen Euro eingesammelt hat. Das in Großbritannien ansässigen Unternehmen Oxford Ionics, erhielt in einer Serie-A-Finanzierungsrunde 30 Millionen Pfund.

Die Mehrheit der Finanzierung kommt allerdings nicht von privaten Akteur:innen. Das auf Quantenforschung und Beratung spezialisierte Unternehmen GQI, das staatlich geförderte Projekte von Agenturen und Instituten in mehreren Ländern verfolgt, berichtet über insgesamt mehr als 55 Milliarden Dollar an staatlich geförderten Forschungs- und Entwicklungsinitiativen weltweit. Der Report weist außerdem darauf hin, dass die meisten Patente für Quantentechnologie von Unternehmen in China (54%) und Japan (15%) angemeldet werden und dass es derzeit weltweit 162 Universitäten und Institutionen mit auf Quanteninformationen ausgerichteten Bildungsprogrammen und Forschungsaktivitäten gibt. Die folgende Übersichtsgrafik vermittelt euch ein besseres Bild der weltweiten staatlichen Programme:

Schauen wir uns den ersten Use Case für Quantencomputer an: Die Navigation durch das komplexe Netz der Finanzwelt kann eine gewaltige Aufgabe sein, mit ihrem Labyrinth aus miteinander verbundenen Systemen, gewaltigen Datenmengen und den ständigen Anforderungen nach schnellen, genauen Berechnungen. Quantencomputing kann hierbei aufgrund seiner beispiellosen Rechenleistung zu einer Revolution führen. Zwei Eckpfeiler der Finanzwelt könnten besonders betroffen sein: 1) Risikobewertung und Portfoliooptimierung sowie 2) Echtzeit-Trading.

Quantencomputing birgt sowohl ein signifikantes Versprechen als auch eine potenzielle Bedrohung für die Welt der Kryptografie und der Cybersicherheit.

Die Anwendungsbereiche von Quantencomputing umfassen außerdem die wichtigsten Probleme unserer Zeit, darunter die Klimakrise. Angesichts des komplexen Geflechts an zu beurteilenden Faktoren und der enormen Menge an zu analysierenden Daten sind Klimastudien und die Kreation wirksamer ökologischer Strategien und Lösungen gewaltige Aufgaben.

Quantencomputing steckt noch in den Kinderschuhen und sieht sich einer Vielzahl von Hürden gegenüber. Die Quantensysteme von heute sind fehleranfällig und erfordern bestimmte, schwer aufrechtzuerhaltende Bedingungen, wie zum Beispiel ultrakalte Umgebungen. Die Hardware muss zudem stark isoliert werden, um externe Störungen zu vermeiden. Infolgedessen sind Quantencomputer extrem empfindlich, und ihre Quantenzustände werden leicht durch Umgebungsgeräusche gestört. Das kann dann im Umkehrschluss zu fehlerhaften Berechnungen und Simulationen führen.

Außerdem ist die Zeitspanne, während die Qubits ihren Quantenzustand aufrechterhalten, extrem kurz. Oft in Mikrosekunden gezählt, stellt diese Begrenzung eine erhebliche Einschränkung für die Dauer und Komplexität von Rechenaufgaben dar. Auch das Programmieren von Quantencomputern ist eine gigantische Herausforderung. Quantenalgorithmen erfordern ein ausgeklügeltes Verständnis von Quantenphysik und fortgeschrittenen mathematischen Konzepten. So ist das Programmieren dieser Maschinen nicht mit dem Programmieren von klassischen Computern zu vergleichen.

Dennoch ist das revolutionäre Versprechen des Quantencomputing ungeschmälert. Wir sehen stetige Fortschritte bei der Verbesserung der Stabilität von Qubits, der Erhöhung der Kohärenzzeiten und der Entwicklung robuster Quantenprogrammiersprachen. Diese Fortschritte bereiten den Weg zu zuverlässigeren und effizienteren Quantencomputing-Systemen.

Trotzdem ist es schwierig vorherzusagen, wann voll funktionsfähige, fehlerfreie Quantencomputer Realität sein werden. Aber es gibt ein Gleichgewicht, das zwischen klassischen Computern und voll funktionsfähigen Quantencomputern gefunden werden kann. Die unvollkommenen Quantenmaschinen von heute, als Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) Geräte bezeichnet, können für bestimmte Aufgaben Rechenvorteile bieten und als nützliches Testfeld für Quantenalgorithmen dienen. In seinem Paper aus dem Jahr 2008 stellte John Phillip Preskill fest, dass ein Quantencomputer mit einer Anzahl von Qubits von 50 bis 100 besser funktionieren kann als die heutigen digitalen Maschinen, auch wenn sie vollständig dem aktuellen Stand der Umgebungsgeräusche ausgesetzt sind.

Auch wenn die vollständige Nutzung des universellen Quantencomputers in der Finanzbranche, der Klimaforschung und der Kryptografie eine schwierige Aufgabe zu sein scheint, ist das Potenzial der Technologie klar. Aber auch geringerer Zeit für Forschung und Entwicklung neuer ökologischer Materialien sind realisierbar. Mit erhöhter Rechengeschwindigkeit kann der Einfluss des Quantencomputing auf die Finanzbranche, die Art und Weise, wie Vermögenswerte bewertet und Portfolios beurteilt werden, revolutionieren. Eines der größten Innovationspotenziale liegt in der Kryptografie, wo das Quantencomputing sowohl eine Bedrohung als auch eine Chance für die digitale Sicherheit darstellt! Aber auch weitere Use Cases im Bereich der Arzneimittelforschung und der personalisierten Medizin sind denkbar.