Freie Universität Berlin : Mit Quantenbits in die Zukunft

Quantencomputer bedeuten eine Revolution in der Künstlichen Intelligenz. Ein bundesweites Forschungsprojekt will helfen, die Technik von morgen für alle nutzbar zu machen.

Dennis Yücel
Weichen für die Zukunft stellen. Die Deutsche Bahn AG möchte mithilfe quantengestützter Algorithmen ihre Fahrpläne optimieren.
Weichen für die Zukunft stellen. Die Deutsche Bahn AG möchte mithilfe quantengestützter Algorithmen ihre Fahrpläne optimieren.Foto: Walter G. Allgöwer, picture alliance / imageBROKER

Noch steht die Entwicklung von Quantencomputern am Anfang. Doch schon in wenigen Jahren könnten sie die Gesellschaft maßgeblich prägen. Quantencomputer arbeiten im Gegensatz zu herkömmlichen Rechnern nicht auf Grundlage der Gesetze der klassischen Physik. Sie rechnen auf eine Art und Weise, die allein den Regeln der Quantenmechanik folgt – und werden dadurch um ein Vielfaches schneller.

„In Sekundenbruchteilen können sie Berechnungen anstellen, an denen ein klassischer Computer entweder scheitern würde oder unermesslich viel Zeit bräuchte“, sagt Adrian Paschke. „Sie liefern so die notwendige Rechenleistung für den nächsten Schritt in der Entwicklung von Künstlicher Intelligenz.“

Adrian Paschke ist Professor am Institut für Informatik der Freien Universität Berlin und zugleich Direktor des Data Analytics Centers am Fraunhofer Institut für Offene Kommunikationssysteme (FOKUS).

Derzeit ist er am Aufbau einer Plattform für quantenunterstützte Künstliche Intelligenz (QKI) beteiligt, die im Rahmen eines Konsortiums aus Freier Universität, Fraunhofer FOKUS und der StoneOne AG entsteht.

Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderte Projekt „PlanQK“ hat zum Ziel, die Entwicklung von Lösungen in der quantengestützten Künstlichen Intelligenz (QKI) für die Industrie durch den Aufbau einer Wissensplattform voranzubringen.

Ein zentraler Wissenspool über quantengestützte KI

„QKI steht heute an der Schwelle zu ersten Anwendungen in der Industrie“, sagt Adrian Paschke. „Die Nutzung ist allerdings noch schwierig, da die Technik sehr teuer und das Wissen über viele private und öffentliche Forschungsprojekte verteilt ist.“

Insbesondere für kleinere und mittlere Unternehmen würden sich dadurch hohe Einstiegshürden ergeben. „Wir wollen nun einen zentralen Wissenspool schaffen, der für Entwicklung und Anwendung zugänglich ist“, sagt Paschke. „Ferner bauen wir ein System auf, über das sich Spezialisten und Entwickler mit Nutzern, Kunden und Beratern vernetzen können.“

An dem Vorhaben sind 15 Partner aus der Privatwirtschaft beteiligt. Gemeinsam mit ihnen werden Anwendungsbeispiele erarbeitet, sogenannte Use-Cases. Auf der Plattform wird dann zu sehen sein, wie das entsprechende Problem mit einem klassischen KI-Algorithmus zu lösen wäre und welche quantengestützten Alternativen zur Verfügung stehen.

Das Aumio-Team: (v. l. n. r.) Tilman Wiewinner, Felix Noller, Jean Ochel und Steffen Scherf; (unten) Florian Gerhardt, Teresa Weicken und Simon Senkl.
Das Aumio-Team: (v. l. n. r.) Tilman Wiewinner, Felix Noller, Jean Ochel und Steffen Scherf; (unten) Florian Gerhardt, Teresa...Foto: Bernd Wannenmacher

„Wir suchen die am besten geeigneten Algorithmen aus der Forschungsliteratur heraus, testen, welche Hardware für den Algorithmus geeignet ist und wie sich der Algorithmus verhält“, sagt Adrian Paschke.

Einer der Projektpartner ist die Deutsche Bahn, die mithilfe der Plattform neue Möglichkeiten der Fahrplanoptimierung ausloten möchte. Auch eine auf Betrugserkennung spezialisierte Firma aus dem Finanzsektor ist dabei.

Neue Möglichkeiten der Fahrplanoptimierung

Sie testet Algorithmen, die Finanzströme automatisiert auf Unregelmäßigkeiten und auffällige Muster durchsuchen und Behörden so bei der Bekämpfung von Wirtschaftskriminalität unterstützen können. Ein weiteres Projekt ist die Entwicklung eines Algorithmus, der die Wahrscheinlichkeit von Wasserrohrbrüchen in Gebäuden vorhersagen soll.

„Quantencomputer sind deshalb so schnell, weil sie mit Quantenbits, kurz ,Qubits’ rechnen“, erklärt Adrian Paschke. Während normale Bits, also die Recheneinheit klassischer Computer, lediglich zwei Positionen einnehmen könnten – 0 oder 1 – und jeweils nur eine davon zur gleichen Zeit, besäßen Qubits einen sogenannten Superpositionszustand.

„Sie können für eine bestimmte Zeitspanne einen Zwischenzustand aus beiden Positionen zur gleichen Zeit einnehmen“, sagt der Informatiker.

Gleichzeitig seien Qubits untereinander verschränkt: Der Zustand eines Qubits habe unmittelbar Auswirkungen auf seine Nachbarn. „Ein klassischer Computer kann jeweils nur eine Rechnung nach der anderen ausführen", sagt Adrian Paschke. „Ein Quantencomputer hingegen bewältigt eine Vielzahl von Berechnungen gleichzeitig.“

App-Store für probate Anwendungen

Neben der offenen Wissensplattform, auf der die gewonnenen Erkenntnisse frei zugänglich sein werden, wird das Projekt „PlanQK“ auch einen „Marktplatz“ eröffnen. Dort sollen Unternehmen probate Anwendungen – ähnlich wie in einem „App-Store“ – zur weiteren Nutzung verkaufen können.

„Wir arbeiten dabei mit verschiedenen Firmen zusammen, die eigene Quantencomputer besitzen“, sagt Adrian Paschke. Die Programme könnten über die Plattform dann auf deren Rechnern ausgeführt werden, künftige Kunden müssten also keinen eigenen Quantencomputer besitzen.

Auch der nächste Schritt in die Zukunft ist für Informatikprofessor Paschke indes klar: Der Aufbau eines eigenen Quantenrechners in Deutschland.