Quantencomputer – Zukunftstechnologien im Check

Die Quantencomputer-Technologie steckt heute noch in den Kinderschuhen, könnte aber schon in einigen Jahren viele IT-basierte Systeme radikal verändern. Dies betrifft auch Logistikanwendungen. Denn mit Quantencomputern (QC) lassen sich komplexe kombinatorische Aufgaben deutlich schneller berechnen: In der Logistik können sie  beispielsweise Tourenplanung und Materialflüsse, aber auch komplexe Datenbanksuchen oder maschinelles Lernen mit ihrer Rechenpower optimieren.

Ein Quantencomputer (QC) ist ein völlig neuartiger Mikroprozessor, der die physikalischen Gesetze der Quantenmechanik nutzt. Diese beschreibt die Eigenschaften von Zuständen der Materie auf atomarer und subatomarer Ebene. Für den menschlichen Verstand nicht einfach zu verstehen, wurde die Theorie dazu schon ab dem Jahr 1925 unter anderem von den Physikern Werner Heisenberg und Erwin Schrödinger entwickelt. Anschaulicher wird die Theorie zum Beispiel durch das berühmte Gedankenexperiment „Schrödingers Katze“, das sich im Internet nachlesen lässt.

Neben veränderter Hardware ist für QC auch eine andere Art von Informatik mit anderen mathematischen Ansätzen notwendig: Ein herkömmlicher Computer speichert Information in Form von Bits ab, die zwei mögliche Zustände annehmen können: entweder „Eins“ oder „Null“. Je mehr Prozessoren ein Computer hat, desto schneller kann er Rechnungen anstellen und Bitfolgen nacheinander auswerten. Ein QC speichert Daten in so genannten Quantenbits (Qubits) ab. Qubits befinden sich nicht nur in einem Zustand, also Null oder Eins, sondern können beide Zustände zugleich einnehmen, die sogenannte Superposition. Dadurch kann ein QC viel mehr Rechenoperationen vornehmen als ein klassischer Computer, da er alle möglichen Kombinationen gleichzeitig auswerten kann, anstatt sie nacheinander auszurechnen. Ein QC mit 50 Qubits kann beispielsweise 2 hoch 50, also über 1 Billiarde verschiedene Zustände gleichzeitig annehmen. Experten gehen davon aus, dass ein solcher QC leistungsstärker wäre als aktuell verfügbare Supercomputer. Bisher werden QC nur unter sehr kontrollierten Umgebungsbedingungen in speziellen Rechenzentren betrieben. Benötigt werden vor allem Umgebungstemperaturen von minus 273°C und eine Abschirmung von jeglichen Wechselwirkungen. Die Systeme sind sehr empfindlich und fehleranfällig, eine breite kommerzielle Nutzung ist daher derzeit nicht möglich. Aber als Cloud-Service werden QC mit 20 und experimentell bis 50 Qubits schon heute am Markt angeboten. Dies sind so genannte „Quantengatter-Systeme“, die auch als „Universeller QC“ bezeichnet werden. Ein bekannter Vertreter ist der „Q System One“ von IBM.

Für die Logistik sind eine spezielle Art von Quantencomputern sehr interessant, sogenannte „Quanten-Annealing-Systeme“, auch „Adiabatic QC“ genannt. Diese Maschinen und Verfahren eignen sich besonders für Tourenplanungsproblematiken. Die Qubit-Werte werden hier anders definiert, so dass diese nicht mit denen von universellen QCs verglichen werden können. Besonders bekannt ist der „D-Wave 2000Q“ mit 2048 Qubits des kanadischen Unternehmens D-Wave. Neben den „echten“ QCs existieren auch mathematisch simulierte Verfahren des Quanten-Annealings auf Basis herkömmlicher Chiptechnologie. Das Unternehmen Fujitsu bietet beispielsweise einen solchen Cloud-basierten Rechenservice auf Basis eines speziell entwickelten binären Chips.

Noch ist die Leistungsfähigkeit und Praxistauglichkeit sowohl der echten als auch simulierten Annealing-Computer noch nicht groß genug, um alle Bedingungen und Restriktionen von Tourenoptimierungs-Problematiken, wie sie bei DACHSER vorkommen, praxistauglich und wirtschaftlich abbilden zu können. Es ist aber zu erwarten, dass in den kommenden fünf Jahren das Angebot an Annealing-Services zunehmen wird, die eine neue Qualitätsstufe der Tourenoptimierung ermöglichen könnten.