Big Data

Quantencomputing liefert völlig neue Ansätze für die Lösung von Big-Data-Problemen – demnächst.

IBM forscht seit den späten 80er Jahren an sogenannten Quantencomputern, dieser Technologie, die so völlig anders als ein CMOS-Prozessor mit binärer Logik ist. Das beginnt bei einer völlig neuen Vorstellungswelt. Statt Nullen und Einsen geht es beim Quantencomputing um die Oberfläche einer Sphäre. Der Quantencomputer liefert Werte, die sich statt Null und Eins (im einfachsten vorstellbar als Nord- und Südpol der Sphäre) an einer definierten Stelle auf der Sphäre befinden. Google zusammen mit D-Wave, Alibaba, Intel, IBM und noch einige andere forschen an der Technik. Da diese nicht ganz trivial ist, lassen sich die Ergebnisse derzeit noch nicht seriös miteinander vergleichen.

Die Aufgabe besteht zunächst darin, mathematische Probleme zu finden, die sich durch diese völlig neue Sicht auf Daten ergibt, weil von Bits und Bytes eben nicht mehr die Rede ist. Da Quantencomputer anders als klassische Binärrechner arbeiten, müssen neue mathematische Berechnungen entwickelt werden, die dann mit einer Quantumassemblersprache programmiert werden könnten.

Gegenwärtig sieht IBM hier vor allem komplizierte Berechnungen, die sich auf klassischen Datenverarbeitungssystemen nicht mit angemessenem Aufwand darstellen lassen. IBM nennt da unter anderem komplexe Matrixoperationen. Es schimmern aber auch schon praktische Anwendungen durch das Schwarz des Folienhintergrunds. Ein Beispiel: Gegenwärtig forschen Pharmaunternehmen mit sehr großen Moleküldatenbanken an der Entdeckung von Wirkstoffen für neue Medikamente. Dazu werden die Moleküldatenbanken durchforstet und chemische Zusammenhänge untersucht, die dazu führen könnten, dass ein Molekül an ein Protein andockt. Wurde so ein Molekül gefunden, wird das Ergebnis überprüft (teils durch das Fachwissen der Forscher, teils durch weitere Algorithmen). Könnte das gefundene Molekül tatsächlich passen, folgen eine aufwendige Synthetisierung des Moleküls im Labor und viele weitere Tests zum Verhalten des Moleküls. Dabei betrachten die Forscher die Moleküle oft auf atomarer Ebene. Mit einem Quantencomputer könnten die Ergebnisse der Synthetisierung und das Verhalten der Moleküle simuliert werden.

Herausforderungen

Die technische Herausforderung ist heute, einen universell programmierbaren Quantencomputer mit einer niedrigen Fehlerrate zu entwickeln, sagen die Entwickler von IBM. Spezialisierte Quantencomputer funktionieren im Labor schon recht gut für das konkrete Problem, für das sie entwickelt worden sind. Dann ist die Fehlerrate sehr gering. Die Fehlerrate wird dadurch bestimmt, dass nicht immer alle Zustände des Quantums ausgewertet werden können oder einen sinnvollen Zustand annehmen. Bei „General Purpose“-Quantencomputern liegt diese Fehlerrate derzeit noch recht hoch und das Ziel der Forscher ist, diese zu senken. Die Fehlerrate wird unter anderem durch die Anzahl der Qubits und durch die Rechengeschwindigkeit bestimmt. Eine weitere Herausforderung ist die aufwändige Kühlung der Systeme. Auf wenige Millikelvin, also auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, müssen die Systeme gekühlt werden. Interessant: Da hier überwiegend chemische Prozesse die Kühlleistung erreichen, ist die Leistungsaufnahme noch nicht einmal so hoch – von Kilowatt im zweistelligen Bereich sprechen die Entwickler. Die Spitzengruppe der Supercomputer aus den Top 500 ist da deutlich „gieriger“. Unter den Top 10 ist kein Rechner, der unter einem Megawatt auskommt. Der Sunway TaihuLight – bis Montag, wenn die neue Liste veröffentlicht wird, liegt er an der Spitze der Top-500-Supercomputer – braucht über 15 Megawatt.

Die Anbieter von Quantencomputern sind derzeit bemüht, Wissenschaftler und industrielle Anwender für ihre Ideen vom Quantencomputing zu gewinnen, damit Anwendungen entstehen. Das geht typischerweise über Entwicklungsplattformen, die die Anwender dazu animieren sollen, sich mathematische Probleme auszudenken, die dann mit einem Quantencomputer analysiert werden. Bei IBM kann man die Aufgabe dann direkt auf einen der Quantencomputer in Yorktown Heights (USA) zur Ausführung schicken.

Ausblick

Quantencomputer werden wohl noch einige Jahre einen deutlichen Exotenstatus behalten. Schritt für Schritt werden dann Big-Data-Aufgaben in einer Kooperation von Binär- und Quantencomputern gelöst. Ein Computer mit einer klassischen Datenbank bereitet dann die Daten aus großen Datenpools und befüllt die Matrix, auf die vom Quantencomputer komplexe Transformationen angewendet werden.

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