In dieser Große Rechenleistung In dieser Podcast-Folge spricht Gabriel Broner mit Steve Reinhardt über Quantencomputing. Hören Sie sich das Gespräch an und erfahren Sie, was Quantencomputer sind, welche Probleme um Größenordnungen schneller gelöst werden können als mit herkömmlichen Computern, wo wir heute stehen und was die Zukunft bringt.


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Überblick und wichtige Kommentare
Quantencomputer nutzen Quanteneffekte, um die Verarbeitung sequentieller Prozesse auf herkömmlichen Hochleistungsrechnern zu parallelisieren. Dies ermöglicht die Lösung schwieriger Probleme wie das Knacken kryptografischer Codes und das Finden optimaler Lösungen bei komplexen Optimierungen.
Was ist ein Quantencomputer?
Ein Quantencomputer ist ein Computer, der Quanteneffekte wie Superposition ausnutzt: Quantencomputer bestehen aus Quantenbits oder Qubits, die 0 oder 1 sein können, aber auch gleichzeitig 0 und 1. Weitere Effekte, die Quantencomputer ausnutzen, sind Verschränkung und Quantentunneln.
Es gibt zwei Hauptarchitekturen: Gate-Modell- und Quanten-Annealing-Maschinen. Gate-Maschinen ähneln eher dem klassischen Computer. Bei Quanten-Annealing-Maschinen wird eine Energielandschaft vorgegeben und durch das Annealing ein Zustand niedriger Energie gefunden. Gate-Modell-Computer benötigen Qubits mit höherer Genauigkeit und liegen heute bei 50 bis 70 Qubits. Quanten-Annealing-Maschinen benötigen keine hohe Genauigkeit und verfügen heute über etwa 2000 Qubits.
Welche Probleme können gelöst werden?
„Klassische Hochleistungscomputer lösen partielle Differentialgleichungen, indem sie Gleitkommaoperationen gut verarbeiten. Quantencomputer werden diese Probleme nicht lösen. Das passt nicht gut.“
Quantencomputer werden vor allem im Bereich der kombinatorischen Optimierung nützlich sein. Ein klassisches Problem ist der Handelsreisende, der viele Städte besuchen und dabei die Kosten minimieren muss. Ein ähnliches Problem ist die Teamauswahl, also die Auswahl von Spielern, um die Gewinnchancen zu maximieren. Ein weiteres Problem ist die Erfüllung von Einschränkungen, bei der es darum geht, eine funktionierende Lösung zu finden. Ein Beispiel ist die Faktorisierung großer Zahlen, mit der sich Verschlüsselungen knacken lassen.
Welche Ergebnisse werden erzielt?
„Bei benutzerfreundlichen Problemstellungen sind die Ergebnisse 1,000-mal schneller. Bei realen Problemen liegen wir ungefähr gleichauf. Die Verbesserungen in jeder Generation sind drastisch.“
Wo sind wir heute
„Es ist unglaublich früh. Denken Sie an klassische Computer, die in den 40er Jahren auf den Markt kamen. Die Größe eines Bytes wurde erst in den 60er Jahren standardisiert. Wir befinden uns jetzt in den 50er Jahren der Quantencomputer. Wir haben noch kein FORTRAN. Es gibt viele Möglichkeiten. Es wird viel experimentiert. Aufgrund der Erfahrungen mit herkömmlichen Computern erwarten wir, dass diese Entwicklung viel schneller voranschreitet.“
Müssen wir bald mit eigenständigen Quantencomputern rechnen?  
„Jahrzehntelang werden Quantencomputer in einem Hybridmodus mit klassischen Computern eingesetzt. Als Entwickler müssen Sie also nicht Ihr gesamtes Problem lösen. Sie können sich ansehen, wo die Rechenzeit verbraucht wird, und diese Modelle auf Quantencomputer übertragen. Diese Module können so optimiert werden, dass sie milliardenfach schneller sind.“
Was sind die Herausforderungen?

• „In der klassischen Computerwelt können wir wichtige Teile der bestehenden Technologie nutzen und einige Subsysteme für die nächste Generation anpassen. Bei Quantencomputern hingegen haben wir keine anfänglichen Probleme mit der Leistung, daher ist es schwer zu wissen, welche Dimensionen als nächstes verbessert werden müssen. Wir müssen mit Kunden zusammenarbeiten, unsere Systeme sehr schnell weiterentwickeln und gute Entscheidungen treffen, und das ist nicht einfach.“
• Bei Gate-Modellsystemen ist die Fehlerkorrektur eine große Herausforderung. Es handelt sich um ein digitales System, das auf digitale Korrektheit angewiesen ist, aber Qubits weisen eine gewisse Fehlerquote auf. Am besten wäre es, 10 bis 100 physikalische Qubits zu verwenden, um ein einzelnes fehlerkorrigiertes Qubit zu erzeugen. Das Problem ist jedoch, dass Systeme heute etwa 50 physikalische Qubits haben.
• „Die Probleme der realen Welt werden größer sein als die Chips, die wir haben. Wie zerlegt man größere Probleme, um die vorhandenen Systeme zu nutzen?“
• „Fachexperten wie Biologen, Chemiker oder Physiker sind keine Experten für Quantencomputer. Wie kann man ein Problem auf einen Quantencomputer übertragen?“

Werden Quantencomputer in der Cloud sein?
„Cloud-Zugriff ist zwingend erforderlich, um einen breiten Zugang zu dieser Technologie zu gewährleisten und viele Menschen zur Nutzung zu bewegen. Da wir noch viele Jahre mit einer hybriden Welt rechnen, wird der klassische Computer Teile an den Quantencomputer senden. Daher ist die Latenz dieser Verbindung ein vorrangiges Problem. Daher müssen Colocation- und Planungsprobleme effektiv gelöst werden.“
Was erwartet uns in den nächsten Jahren?
„Bis zum allgemeinen Einsatz von Quantencomputern sind wir noch drei bis fünf Jahre entfernt. Die Fehlerkorrektur könnte mehr als zehn Jahre dauern. Die ersten Anwendungen werden enorme Vorteile bieten, und sobald sich die Technologie bewährt hat, werden andere Anwender sehr schnell auf Quantencomputer umsteigen.“

Steve Reinhardt
Steve Reinhard verfügt über langjährige Erfahrung im Bereich Hochleistungsrechnen, unter anderem als Direktor bei Cray. In den letzten vier Jahren war er Direktor für Softwaretools bei D-Wave, einem Unternehmen für Quantencomputer.

Gabriel Broner
Gabriel Broner ist VP & GM für HPC bei Rescale. Bevor er im Juli 2017 zu Rescale kam, war er 25 Jahre in der Branche tätig, unter anderem als Betriebssystemarchitekt bei Cray, GM bei Microsoft, Innovationsleiter bei Ericsson und VP & GM für HPC bei SGI/HPE.