zurück zum Artikel

Durchbruch bei der Quanten-IT?

Infotech
Bild 1 [180 x 180 Pixel @ 10 KB]

Am 13. Februar war es soweit: Da zeigte das junge Unternehmen D-Wave Systems [1] aus Burnaby im kanadischen Bundesstaat British Columbia nach eigenen Angaben "den weltweit ersten kommerziellen Quantenrechner". Der Name des Computers: "Orion".

Die Vorführung im traditionsreichen Computer History Museum im kalifornischen Mountain View wurde von Firmengründer und D-Wave-Technologiechef Geordie Rose durchgeführt. Er zeigte unter anderem, wie Orion Proteine aus einer Datenbank heraussuchen und die am nächsten liegenden Treffer auffinden konnte. Außerdem war zu sehen, wie das System die optimale Sitzverteilung in einem Raum und die Lösung eines Sudoku-Puzzles errechnen konnte.

Die Quanteninformationstechnik, die von den Physikern Paul Benioff und Richard Feynman erstmals in den frühen Achtzigerjahren vorgeschlagen wurde, nutzt das interessante Element der Zweideutigkeit, die sich aus der Quantenmechanik ergibt. Laut ihren Gesetzen kann der Zustand eines Partikels auch "unbestimmt" sein: Die Ausrichtung eines Elektronspins nach "oben" (up) oder "unten" (down) etwa ist in diesem Fall nicht eindeutig festgelegt, beide Zustände existieren mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit zur selben Zeit. Er könnte also gleichzeitig "an" oder "aus" darstellen, um es mit Begriffen der binären Computertechnik zu umschreiben.

In einem Quantencomputer lässt sich jedes Quanteninformations-Bit (Qubit genannt) daher auf solch einen "unbestimmten" Zustand setzen, den man auch als Superposition (Überlagerung) bezeichnet. Dadurch kann das Qubit den Wert 0 und 1 gleichzeitig besitzen. Zwei Qubits können also vier verschiedene Werte annehmen – 00, 01, 10 und 11 in binärer Notation. Vier Qubits können schon 16 Werte repräsentieren. Theoretisch kann ein Quantencomputer dadurch Probleme in weniger als einer Minute lösen, für die ein klassischer Computer eine kleine Ewigkeit bräuchte.

Bis heute waren die meisten Quantencomputer jedoch nur mehr oder weniger erfolgreiche Wissenschaftsexperimente. Keiner konnte bislang mehr als 12 Qubits nutzen, so dass sich nur einfachste Aufgaben lösen ließen. Der Bau von Quantenrechnern erwies sich in der Praxis als extrem kompliziert und heikel, weil man empfindliche Laser, Vakuumpumpen und andere exotische Bauteile benötigt, um die Qubits zur Arbeit zu bewegen.

D-Wave will laut eigenen Angaben nun jedoch erstmals ein praktisch umsetzbares Design entwickelt haben, das sich auch verhältnismäßig leicht bauen lassen soll. 44 Millionen Dollar konnte das Start-up dafür bereits von bekannten Investoren wie der Risikokapitalfirma Draper Fisher Jurvetson einsammeln.

Der Orion soll intern mit ähnlichen Technologien arbeiten, wie sie auch in Standard-Computerchips stecken. 16 Qubits soll der "adiabatische Quantencomputer" besitzen, erklärt das Unternehmen. Er wurde um einen Chip aus dem Metall Niob herum aufgebaut, das im sehr kalten Zustand zu einem Supraleiter wird. In einem Bad aus flüssigem Helium auf eine Temperatur von fast minus 273 Grad gekühlt, bilden die Elektronen im Niob-Supraleiter Partikel, die sich Cooper-Paare nennen. Diese besäßen dann laut D-Wave die bekannten überlagerten Quantenzustände, so dass sich damit auch Quantenalgorithmen berechnen ließen.

D-Wave-Chef Herb Martin glaubt, dass dieses verhältnismäßig unkomplizierte Design noch in diesem Jahr zu einer Maschine mit 512 Qubits führen könnte. Mitte 2008 wolle man gar 1024 Qubits erreichen.

Die von D-Wave vorgeführte Demonstration in Mountain View wurde von Quanten-IT-Experten allerdings eher belächelt. Wirkliche Beweise habe die Firma nicht vorgelegt, hieß es in vielen Zirkeln, nur sehr vage Details, wie der Orion intern wirklich funktioniert. Vom Hocker gehauen haben die allerdings niemanden.

Durchbruch bei der Quanten-IT?

Scott Aaronson, Experte in theoretischer Informatik am Institute for Quantum Computing im kanadischen Waterloo, der das unter Quanten-IT-Forschern populäre Weblog Shtetl-Optimized [2] betreibt, trat die Hohnwelle gegenüber D-Wave los, in dem er den Computer Orion als ebenso "leistungsstark wie ein Roast-Beef-Sandwich" bezeichnete.

"Was immer D-Wave behauptet, erreicht zu haben, lässt sich sofort als Hype entlarven", meint Aaronson. Wenn Firmenchef Geordie Rose erkläre, die Maschine löse praktische Probleme schneller als ein klassischer Computer, sei dies ganz klar falsch. "Diese kleinen Demonstrationsprobleme wurden von zahlreichen anderen Leuten bereits gelöst. Ich kann mir also keine Interpretation der Sachlage vorstellen, in der D-Wave die Wahrheit sagt", so der wortgewaltige Wissenschaftler.

Aaronsons missmutiger Tonfall ist typisch viele Quanten-IT-Experten. Umesh Vazirani, Professor für Informatik an der University of California in Berkeley, hält D-Waves Behauptungen für irreführend. "Das kann man keinen praktisch verwendbaren Quantencomputer nennen. Bei Quantencomputern geht es ja schließlich darum, einen deutlichen Geschwindigkeitsvorteil gegenüber klassischen Rechnern zu erzielen. Und das hat die Firma einfach nicht geschafft."

Unklar ist, ob die Demonstrationsprobleme tatsächlich von einem Quantenrechner gelöst wurden. So weiß niemand außerhalb von D-Wave, wie der Orion die zahlreichen Fehlereinstreuungen korrigiert, die sich aus thermischem Rauschen und der fehlenden Kohärenz der Qubits ergeben. Ohne dieses Problem zu lösen, könne ein Quantencomputer nicht funktionieren, so Vazirani. Andere Quanteninformatik-Experten, die Technology Review zu diesem Thema befragte, meinten daher, dass der Orion bei der Demonstration womöglich nur wie ein langsamer analoger Rechner funktionierte – und gar nicht wie ein Quantenrechner.

"Hat D-Wave wirklich einen Quantencomputer mit 16 Qubits gebaut oder tritt die Dekohärenz so schnell auf, dass er im Grunde klassische Algorithmen implementiert?", fragt Vazirani. D-Wave habe keinen Beleg dafür vorgewiesen, der klar für die erste Möglichkeit spreche.

Immerhin: Großzügigere Quanten-ITler gestehen D-Wave zumindest ein interessantes geschäftliches Modell zu. "Ich kenne mich im Business zwar nicht besonders aus, glaube aber, dass D-Wave ungefähr so funktioniert: Die Chancen sind enorm gering, dass die Firma einen tatsächlichen Quantencomputer schaffen kann. Wenn sie aber Erfolg hat, wäre das der große Hit", kommentiert Seth Lloyd, Professor für Maschinenbau am MIT, der selbst ein erstes Quantencomputer-Design vorgeschlagen hat, dass sich technisch umsetzen ließe. "Was D-Wave macht, ist zwar nicht sehr Erfolg versprechend, aber auch keine reine Donquijoterie." nicht."

Technology Review bat deshalb D-Wave-Gründer Geordie Rose, die Kritik am Quantenchip Orion zu entkräften.

Technology Review: Herr Rose, haben Sie tatsächlich den ersten nutzbaren Quantencomputer der Welt gezeigt?

Geordie Rose: Ja.

TR: Eine starke Behauptung. Ist ein fehlertoleranter, adiabatischer Computer ein Quantencomputer?

Rose: Ja.

TR: Entschuldigen Sie, wenn ich noch einmal nachhake: Ist der Orion wirklich fehlertolerant?

Rose: Ja, das ist er.

TR: Inwiefern?

Rose: Wenn Sie wollen, dass ich das näher erläutere, tue ich das gerne.

TR: Das wäre nett.

Rose: Es gibt hier zwei verschiedene Konzepte. Fehlertoleranz hat zunächst damit zu tun, ob ein Prozessor weiter so funktioniert, wie er entworfen wurde, wenn es zu Fehlern kommt. In dem System, das wir während der Demonstration betrieben haben, waren zwei von 56 Komponenten fehlerhaft – und das Ding funktionierte wunderbar trotz der Fehler. Der Orion ist also absolut fehlertolerant. Keine Frage, wir haben das gezeigt. Aber ich glaube, wonach Sie wirklich fragen , ist unsere Handhabung des Problems der Dekohärenz.

Durchbruch bei der Quanten-IT?

TR: Genau.

Rose: Das Vorhandensein von Rauschen kann zu Rechenfehlern in einem Quantenrechner führen. Wenn man einen solchen Computer kohärent betreiben und mit ihm etwas anfangen möchte, muss man diese Fehler aktiv aus dem System herausziehen. Bei unserem Ansatz, dem so genannten adiabatischen Modell, ist die Physik des Gerätes eine ganz andere als bei konventionellen Quantenrechnern. Damit bei uns überhaupt ein Fehler auftreten kann, muss eine bestimmte Energiemenge an Rauschen vorliegen. Wenn das Rauschen nicht mindestens diese Energiemenge besitzt, beeinflusst es unser System nicht negativ. Wir besitzen also einen natürlichen Puffer. Adiabatische Quantenrechner sind bekannt dafür, wesentlich robuster als andere Ansätze zu sein.

TR: Sie behaupten, dass der Orion Probleme der Komplexitätsklasse NP [3] lösen kann. NP-vollständige Probleme sind die härtesten mathematischen Nüsse, die es in der Komplexitätstheorie zu knacken gibt. Das berühmteste ist das "Traveling Salesman"-Problem. Angeblich eignet sich Ihr Rechner dafür, diese Probleme gut genug für Geschäftsanwendungen zu lösen.

Rose: Nun, wir können sie lösen, insofern die Lösungsmodelle für den Nutzer ausreichen. Die von uns angegangenen Problemklassen kommen überall im Geschäftsleben vor. Man glaubt heute, dass keine Maschine sie effizient und exakt lösen kann, zumindest nicht im schlechtesten aller Fälle. Aber das ist eine ziemlich restriktive Definition von dem, was "Problemlösung" meint. Wenn eine Firma diese Probleme im täglichen Geschäftsablauf lösen muss, wird auf Heuristik gesetzt, die in etwa aufzeigt, wie sich eine ordentliche Lösung finden lässt. Unsere Maschine kann mit dieser Heuristik mithalten. Wir sagen nicht, dass wir die schwersten Probleme exakt und effizient bewältigen können. Wir sagen aber, dass wir wettbewerbsfähig sind und eines Tages den konventionellen Ansatz überholen werden.

TR: Es gibt da das so genannte PCP-Theorem, laut dem eine Näherung in diesen Fällen genauso schwierig ist wie die beste aller möglichen Lösungen.

Rose: Es kommt darauf an, was Sie mit "Näherung" meinen.

TR: Was meinen Sie denn damit? Nutzt Geordie Rose diesen Begriff in einem anderen Sinne als alle anderen Fachleute?

Rose: Eine Näherung bedeutet in der Informatik etwas ganz Spezifisches. Das ist nicht der Begriff, den man im Geschäftsleben verwendet. Stellen Sie sich vor, Sie müssten eine Route durch einige Städte auswählen...

TR: Sie sprechen vom "Traveling Salesman"-Problem?

Rose: Ja, zum Beispiel. Dabei ist jede Route eine richtige Lösung. Und jede Route ist auch eine Näherungslösung. Wie gut diese Annäherung ist, hängt davon ab, wie groß der Unterschied zwischen Ihrer gewählten Route und der bestmöglichen ist. Die Lösungen werden also mit der Zeit immer besser und nähern sich immer stärker dem richtigen Ergebnis. Also bedeutet für Informatiker in diesem Fall eine Näherung ganz spezifisch, wie gut man an eine Lösung herankommt, also eine Lösung, die "im Prinzip exakt" ist.

TR: Gebrauchen Sie das Wort nun im Sinne von Geschäftsleuten oder von Informatikern?

Rose: So wie diese Leute es gebrauchen, wenn sie diese Probleme lösen wollen. Man benötigt eine Lösung und hätte natürlich gerne die bestmögliche – mit den Ressourcen, die man aktuell besitzt. Und das nennt man dann eine Näherung. Sie könnte besser sein, aber man hat nicht die Möglichkeit dazu, weil dies in der Natur des Problems liegt. Die Maschine, die wir gebaut haben, tritt also zu jenen heuristischen Berechnungsmodellen in Konkurrenz, die es heute gibt.

TR: Der Quanten-IT-Experte Scott Aaronson nannte den Orion "ungefähr so nützlich wie ein Sandwich". Das empfinden Sie natürlich als Beleidigung. Aber würden Sie zumindest einräumen, dass Ihr Computer nicht besonders praktisch ist, so lange er Probleme langsamer als ein klassischer Rechner löst?

Rose: Das Ziel unserer Demonstration war nicht, zu zeigen, dass wir im 1:1-Vergleich leistungsfähiger sind als konventionelle Systeme. Es ging um einen Proof of Concept, einen Beweis, dass wir Anwendungen, die aus dem Geschäftsleben kommen, auf einem Quantencomputer laufen lassen können. Und das hat vor uns noch niemand gemacht – da kommt niemand heran. Da sind wir weiter als der derzeitige Stand der Technik.

Wie lange es dauert, Probleme zu lösen, ist eine ganz andere Frage. Orion ist aktuell ungefähr 100 Mal langsamer als ein PC mit den besten Algorithmen. Wenn man also ein Experte ist, kann man sich im Web einen guten Algorithmus suchen, 1000 Dollar für einen PC ausgeben und unser System um den Faktor 100 schlagen. In diesem Sinne hat Scott Aaronson also Recht, aber darum geht es hier nicht.

Durchbruch bei der Quanten-IT?

TR: Worum geht es denn dann?

Rose: Wir wollten einen klaren Weg in die Zukunft aufzeigen – von hier nach da. Und unsere zukünftigen Rechner werden deutlich besser sein.

TR: Sie planen weiterhin die Demonstration einer Maschine mit 1024 Qubit im Jahr 2008?

Rose: Ja, bis Mitte 2008. Vorher werden wir aber auch ein Online-System für die Nutzer bereitstellen, auf dem man Anwendungen programmieren kann.

TR: Ihr Zeitplan klingt wenig plausibel. Wie wollen Sie das schaffen?

Rose: Dazu müssen drei Meilensteine erreicht werden:

Der erste ist das Design des Prozessors, insbesondere seine Input/Output-Systeme, die skalierbar sein müssen – nicht nur theoretisch, sondern ganz praktisch. Die meisten Vorschläge für eine Quantencomputer-Architektur sind nicht skalierbar – ja, eigentlich alle. In unserem Fall glauben wir, eine echte Skalierbarkeit in unserer Hardware entwickelt zu haben. Am wichtigsten ist es ja, Informationen in den Chip und wieder heraus zu bekommen. Wir glauben, dafür eine Lösung gefunden zu haben.

Der zweite Meilenstein, den wir erreichen müssen, ist die korrekte Herstellung. Einer der Gründe, warum wir so vorgehen, wie wir vorgehen, ist, dass wir unsere Prozessoren mit Standard-Halbleiter-Technik entwerfen, bauen und testen können. Wir müssen also keine neuen Herstellungsmethoden erfinden, um die Produktion in Gang zu bekommen.

Drittens haben wir den vielleicht schwersten Meilenstein: Wenn wir all diese Informationen hinein und hinaus schicken können, wird die Maschine noch als Quantenrechner arbeiten? Das ist eine Frage, die wir aktuell noch gar nicht beantworten können, weil noch niemand ein Modellsystem dieser Größe und mit diesen Fähigkeiten gebaut hat. Das ist zu komplex. Wir können die Frage nur empirisch beantworten. Unsere Philosophie dabei ist, jeden Monat einen neuen Prozessor zu schaffen. Wenn wir jedes Jahr 12 Generationen bauen und irgendetwas nicht funktioniert, können wir es in der nächsten Version ausbügeln.

TR: Wie unterscheidet sich Ihr kommerzieller Ansatz von dem der universitären Forschung?

Rose: In der Forschung wird nicht unbedingt schlechter als bei uns gearbeitet, nur eben anders. Unser Ansatz ist es, so viele Qubits wie möglich in den Chip zu bekommen, echte Probleme zu lösen und dann diese Leistung wiederum als Maß für das zu verwenden, was besser und was schlechter daran ist. Wenn wir dann die Fähigkeiten der Maschine erhöhen, können wir Probleme schneller lösen und auch besonders schwere Probleme angehen. Im Vergleich zum universitären Ansatz setzen wir auf eine "Quick and Dirty"-Lösung, gehen aber dennoch sehr gezielt und vorsichtig vor.

TR: Was würde man denn mit einem Quantencomputer mit 1024 Qubits anfangen können?

Rose: Es gibt sehr viele kommerzielle Anwendungen, bei denen man eine optimale Lösung für ein Problem mit vielen Variablen sucht. Beispielsweise beim Chip-Design, wo man die Hardware in all ihren Details überprüfen muss. Auch im Finanzingenieurwesen gibt es zahlreiche mögliche Anwendungen, hinsichtlich derer Investmentbanken ihr Interesse an einer Zusammenarbeit mit uns bekundet haben: Portfolio-Optimierung, Risikominimierung, Auswahl und Preisermittlung von Derivaten.

Außerdem ist letztlich jedes Planungsproblem betroffen. Fluglinien oder Regierungsbehörden etwa müssen zahlreiche Mitarbeiter koordinieren: Wer arbeitet wo und wer hat Zugriff auf was und warum? All diese Probleme schaffen riesige Konfliktlösungsszenarien, die sich derzeit nicht managen lassen. Sie sind zu schwer, um sie schnell genug zu lösen. Ich denke, dass jeder, der in Zukunft ein großes Problem in Sachen Zeit-, Wege- oder Arbeitsplanung hat, auf eine unserer Maschinen zugreifen wird. Deshalb wollen wir sie auch online verfügbar machen.


URL dieses Artikels:
http://www.heise.de/-279711

Links in diesem Artikel:
[1] http://www.dwavesys.com/
[2] http://www.scottaaronson.com/blog/
[3] http://de.wikipedia.org/wiki/NP_%28Komplexit%C3%A4tsklasse%29