Digitale Welt 2/2021 – Quantum Computing

 / 1. March. 2021

Wann hat meine Firma einen Quantenvorteil?

Quantencomputer können Aufgaben lösen, die bei herkömmlichen Rechnern völlig unmöglich sind, oder können dies immens schneller und für eine größere Komplexität. Sie liefern einen Quantenvorteil. Doch, wann ist es so weit?

Dies ist die wohl häufigste Frage, die mir derzeit von den großen Wirtschaftsunternehmen gestellt wird. Wirtschaftlich ist es die wohl wichtigste Frage, die uns beim Thema Quantencomputing (QC) beschäftigt. Meine Antwort für geeignete Anwendungen, die quasi jede Firma hat:

-> Bald!

Falls Sie es genauer wissen möchten, lassen Sie uns überlegen. Als erstes – das QAR-Lab teilt Firmen in 6 Level ein. Überlegen Sie doch mal, auf welchem QC-Level Sie sind:

  • QC-Level 0: Thinking. Sie haben das Thema für Ihr Unternehmen bereits als spannend erkannt.
  • QC-Level 1: Classification. Sie wissen, dass wirtschaftliche Vorteile des QC derzeit in den Bereichen Optimierung, Simulation, KI etc. gesehen werden. QC wird unsere IT-Landschaft nicht ersetzen, sondern Co-Prozessoren werden bei komplexen Fällen ergänzen.
  • QC-LeveI 2: Discovery. Sie haben komplexe Fälle mit QC-Potential gesammelt und eine Long List erstellt. Diese führt – erfahrungsgemäß 25-75 – potentielle Use Cases Ihres Unternehmens auf.
  • QC-Level 3: Selection. Sie haben die potentiellen Use Cases anhand von Kriterien bewertet, vielleicht basierend aufdem 4 -Kriterien-Katalog des QAR-Lab: interessant sind schwere/wichtige/passende/frühe Fälle. Ihre Gewichtung ergab eine Short List samt einem Favoriten.
  • QC-Level 4: Implementation. Sie haben Ihren favorisierten Use Case auf mehreren Quantencomputern umgesetzt. Wir empfehlen im QAR-Lab mindestens Quantum Annealing und Quantum Gate Model, möglichst auch Varianten wie digital Annealing und verschiedene Anbieter im Vergleich.
  • QC-Level 5: Prediction. Sie haben eine Auswertung von Laufzeiten und Güte der Lösung gemacht, kennen Ihren Bedarf an Qubits und haben in einer Hochrechnung ermittelt, wann die von Ihnen benötigte Hardware verfügbar sein wird. Daraus leiten Sie ab, wann Ihre Top-Anwendung einen Quantenvorteil erreicht.

Wenn Sie wissen, auf welchem QC-Level Sie sind, so schauen Sie, wie Sie auf das nächste QC-Level kommen und dann von

Level zu Level. Am Ende haben Sie die Antwort für das Timing Ihres Quantenvorteils. So können Sie unmittelbar planen, wie Sie sich auf dieses Zeitalter vorbereiten.

Beispiel — Optimierung am Flughafen

Als Use Case mit Potential für einen Quantenvorteil hat das QAR-Lab für den Flughafen München das Gate Allocation Problem (GAP, Optimierungsproblem zur Zuordnung der Flugzeuge zu Gates) identifiziert. Im Kleinen haben wir es für die Quanten Annealing Hardware von D-Wave Systems, sowie für Quantencomputer der Firmen Rigetti und IBM mittels des QAOA, modelliert und ausgeführt. Für den Produktivbetrieb des Flughafens am Terminal 2 wurden 12.500 Qubits auf Basis einer QUBO Modellierung errechnet. Dies sollten logische Qubits sein, wobei Google davon ausgeht, dass 1.000 physikalische Qubits zur Realisierung eines logischen Qubits für ihre supraleitende Technologie gebraucht werden, McKinsey benennt 1.000-10.000, was technologiespezifisch zu diskutieren wäre. In Kooperation mit der TU Delft betrachten wir, wie die Fehlerkorrektur effizienter gemacht werden kann, sodass potentiell weniger als 10-10 physikalische Qubits benötigt werden. Ferner ist die Kohärenzzeit

von Bedeutung – je größer diese ist, desto komplexere Algorithmen sind ausführbar. Quantum Brilliance mit einer Technologie basierend auf Stickstoff-Fehlstellen wäre bspw. ein äußerst interessanter Anbieter hinsichtlich dieser Kohärenzzeit. Doch, gehen wir von aktuell verfügbaren Quntencomputern/Annealern aus: D-Wave und Fujitsu lassen eine Verdopplung der Qubits alle drei Jahre erwarten, bei IBM u.a. Gate Model Rechnern erwarten wird diese Verdopplung etwa jährlich.

Nach Auswertung aller Daten und Business Pläne prognostizieren wir für ein voll ausgelastetes Terminal 2 am Flughafen München einen ersten Quantenvorteil auf dem Quantum Annealer im Jahr 2026, auf einem Quantum Gate Model mit größerer Genauigkeit in 2028.

Das ist das „bald“.

Lassen Sie sich durch eine Fülle von Beiträgen rund um das Erreichen eines Quantenvorteils inspirieren. Wenn Sie Fragen haben oder wir Ihnen helfen können – bei der Entdeckung, Auswahl, Implementierung und Prognose Ihrer Fälle – so melden Sie sich! Meine Kollegen vom QAR-Lab und ich sind gerne für Sie da.

Wir unterstützen Sie beim Quantencomputing als kompetenter Partner. Deutschlandweit einzigartig testen wir im QAR-Lab die größte Anzahl an Quantencomputern. Deshalb wissen wir, welche Quantenhardware für welche Herausforderungen in Ihrem Unternehmen am geeignetsten sein kann. Wappnen Sie Ihr Unternehmen für eine neue Ara in Ihrer Firmengeschichte.

Sneak Peak Inhaltsverzeichnis:

EDITORIAL
Wann hat meine Firma einen Quantenvorteil? … 4
Claudia Linnhoff-Popien
LMU München

ZUM GELEIT
Die wundersame Welt der Quantencomputer: Ein Wegweiser … 6
Niko Mohr, Ivan Ostojic, Anna Heid, Lorenzo Pautasso, Matteo Biondi
McKinsey & Company

SOFTWARE & ANWENDUNGEN
The quantum speedup will allow completely new applications … 10
Markus Hoffmann
Google

Cloud based QC with Amazon Braket … 14
Constantin Gonzalez
Amazon

Wie gelingt meinem Unternehmen der Einstieg ins Quantencomputing? … 18
Jonas Stein, Lothar Borrmann, Sebastian Feld, Thomas Gabor, Christoph Roch, Leo Sünkel, Sebastian Zielinski, Claudia Linnhoff-Popien
QAR-Lab, LMU München

Wissenschaft und Wirtschaft auf dem Weg in die digitale Zukunft … 24
Horst Weiß
BASF

Wenn nicht jetzt, wann dann? … 30
Frank Leymann
Universität Stuttgart

Quantencomputing in der Automobilindustrie … 34
Florian Neukart
Volkswagen

Quantum Computing: Towards Industry Reference Problems … 38
Andre Luckow, Johannes Klepsch and Josef Pichlmeier
BMW Group

Azure Quantum – Das Full-Stack-Ökosystem für Anwendungen auf Quantencomputern … 46
Patrick Schidler
Microsoft

QC aus Anwendersicht … 52
Thomas Strohm
Bosch

Quantum Incubation Journey: Theory Founded Use Case and Technology Selection … 54
Sebastian Senge, Tim Leonhardt, Kinan Halabi
Accenture

HARDWARE
The long journey from prototype to the ideal quantum computer … 62
Ignacio Cirac
Technical University of Munich

Ein Quantencomputer mit 1121 Qubits … 65
Dirk Wittkopp
IBM

Solving problems with quantum annealing … 70
Murray Thom
D-Wave

Quantum accelerators: a new trajectory of quantum computers … 74
Marcus Doherty
Quantum Brilliance

Quantum Advantage für Europa? … 80
Sebastian Luber
Infineon

Closing the gaps in Quantum Computing: Co-Development and Co-Design … 85
IQM Quantum Engineers
IQM Quantum Computers

Quantentechnologien im Praxischeck – Konzepte und Anwendungsfelder … 94
Alexander Kaffenberger, Anne-Marie Tumescheit
Fujitsu Technology Solutions

Status Quo und Roadmap von IBM Quantum und erste Lösungsansätze … 104
Basil Moshous, Stefan Kister, Carsten Dieterle, Mark Mattingly-Scott
IBM Deutschland

KOLUMNEN
Neues wagen, Gewohnheiten ändern? – Widerstand ist normal, aber was tun? … 29
Petra Bernatzeder

Die agile Transformation: Groß denken, klein beginnen, schnell lernen … 110
Marcus Raitner

IMMER DABEI & SZENE
Das war die DIGICON 2020 – Digitale Kompetenzen: Wie Krisen große Veränderung bewirken … 112