Digital Annealer: Technologien von morgen schon heute nutzen

Quantencomputing gilt zurecht als „the next big Thing“ – und gibt Impulse für aktuelle Innovationen

Dies ist ein Gastbeitrag von Christian Leutner, Vice President and Head of Product Sales bei Fujitsu.

Christian Leutner, Vice President and Head of Product Sales bei Fujitsu

Christian Leutner, Vice President and Head of Product Sales bei Fujitsu

Quantencomputer bieten eine dramatisch höhere Rechenleistung als konventionelle Rechner. Bis heute allerdings sind sie noch eher Zukunftsmusik. Oder doch nur fast: Die „Idee“ bzw. das Prinzip, das hinter dem Quantencomputing steht, findet bereits Eingang in erste Produkte und Lösungen. Eine davon kommt von Fujitsu: Der Digital Annealer zeigt Anwendern schon heute, was die neue Technologie möglich macht. Dieser bietet mehr als nur ein Fenster zur Zukunft, er ist bereits heute für Unternehmen praktisch nutzbar.
Ein Quantenrechner ist anspruchsvoll: Er muss fast bis auf den absoluten Nullpunkt gekühlt – dieser liegt bei -273°C – und sowohl vor elektromagnetischer Strahlung als auch vor jedweder Erschütterung geschützt werden. Das macht ihn zunächst für heutige Anwendungen unpraktisch und zu kostenintensiv.
Was aber steckt überhaupt hinter dem anspruchsvollen Begriff? Was kann das Quantencomputing, welche Potenziale birgt es?

In erster Linie geht es um eine dramatisch höhere Rechenleistung bei vielen verschiedenen Aufgaben. Diese ergibt sich aus dem Prinzip des Quantencomputings: Dort, wo herkömmliche Rechner mit Bits arbeiten, die nur zwischen 0 und 1 unterscheiden, können sogenannte Qubits (Quanten-Bits) prinzipiell drei Zustände annehmen: 0 und 1 – sowie eine beliebige dazwischen. Und sie können es gleichzeitig tun, also zur selben Zeit 1 und 0 darstellen. Vereinfacht gesprochen versetzt genau das den Rechner in die Lage, immens mehr Möglichkeiten simultan zu berechnen als es ein „normaler“ Computer je könnte.

Vieles ist noch Zukunftsmusik

Noch steckt die Entwicklung von Quantencomputern mit einer praktikabel nutzbaren Rechenleistung in den Kinderschuhen. Dementsprechend kann zunächst nur von ersten Laufversuchen, nicht aber von „Quantensprüngen“ die Rede sein.
Doch gibt Fujitsu bereits einen konkreten Vorgeschmack auf das, was kommen wird: mit der Digital Annealing-Technologie in einem Chip, der Digital Annealing Unit. Sie kommt ohne komplexe Rahmenbedingungen aus. Ihr Kern, der Prozessor, ist mit konventioneller, Silizium-basierter Halbleitertechnik gefertigt und lässt sich in herkömmliche IT-Infrastrukturen integrieren. Das Besondere: Die Digital Annealing Unit – kann dank ihrer speziellen Prozessorarchitektur bestimmte Effekte des Quantencomputings simulieren. Ihre technische Grundlage ist ein Simulationsverfahren, das Eigenschaften des Quantentunnel-Effekts nutzt.

Das versetzt sie in die Lage, bei bestimmten Anwendungen nicht nur viel, sondern extrem viel schneller zu agieren. Bei Aufgaben wie der Lösung kombinatorischer Optimierungsprobleme ist das tatsächlich schon heute der „große Sprung nach vorn“: Berechnungen, die bislang Stunden brauchten, lassen sich nun in Sekundenschnelle unter Echtzeitbedingungen durchführen.

„Quantum-inspired“: Übertragung des Prinzips auf Halbleiter-Technologie

Wörtlich übersetzt heißt „annealing” so viel wie „glühen”. Das bezieht sich auf einen bestimmten Effekt: Wird Metall zum Glühen gebracht und dann abgekühlt, kann es im Zuge dieses Prozesses mit zusätzlichen Eigenschaften versehen werden.

Fujitsu hat beim Digital Annealing einen Mechanismus, den Hersteller von Quantenrechnern verwenden, in konventionelle Halbleiter-Technologie überführt. Dabei wird das jeweilige Problem in mehrere Teilaspekte aufgeteilt, um diese dann in einzelnen Threads gleichzeitig zu bearbeiten. So nähert sich der Digital Annealer in vielen parallelen Berechnungen der optimalen Lösung an. Das sorgt nicht nur für schnelle Prozesse, sondern gibt den Anwendern auch Gelegenheit, sich auf das Zeitalter des Quantencomputings vorzubereiten.

Anwendungsbeispiele aus den Bereichen Finanzen, Logistik und F&E

Eine besondere Bedeutung kommt Quantencomputing-inspirierten Lösungen im Finanzsektor zu. Will etwa ein Unternehmen sein Portfolio an hochwertigen liquiden Vermögenswerten optimieren, muss es dazu kontinuierlich Tausende von Optionen überprüfen. Der Digital Annealer ist in der Lage, komplizierte Berechnungen 300-mal schneller und genauer durchzuführen.

Ein weiteres Beispiel für die gewinnbringende Anwendung des Digital Annealers findet sich im Bereich der Lagerlogistik. Dabei muss Material mit möglichst geringem Aufwand vom Lager zur Produktion geschafft werden. Im Zuge einer zunehmenden Individualisierung von Produkten werden viele unterschiedliche Rohmaterialien angeliefert. Hier kann der Digital Annealer zum Beispiel die beste Route errechnen, auf der die Lagerarbeiter alle Materialien aus den Regalen nehmen und zum Bearbeitungsort bringen können. Zudem lässt sich die optimale Lage der entsprechenden Regale bestimmen. Auch bei der Steuerung von Produktionsprozessen spielt die Technologie ihre Vorteile aus und ermöglicht beispielsweise Neudispositionen quasi in Echtzeit.

In Forschung und Entwicklung kann die Technologie komplexe Probleme ebenfalls besser lösen: Wenn Forscher nach Molekülen suchen, die einander ähneln, erledigt das die Quantencomputing-inspirierte Technologie in einem Bruchteil der sonst erforderlichen Zeit. Im Endeffekt führt das zu deutlich verkürzten Entwicklungszeiten bei neuen Werk- oder Wirkstoffen.

Die Technologie des Quantencomputings ist komplex. Will man sich dem Thema nähern, so ist der beste Weg derzeit eine Quantencomputing-inspirierte Lösung wie sie etwa Fujitsu mit der Digital Annealing Unit (DAU) anbietet. Die Rechenleistung der DAU kann aus der Cloud bezogen oder als oder lokale Servicelösung eingesetzt werden.

Die Technologie des Quantencomputings ist komplex. Will man sich dem Thema nähern, so ist der beste Weg derzeit eine Quantencomputing-inspirierte Lösung wie sie etwa Fujitsu mit der Digital Annealing Unit (DAU) anbietet. Die Rechenleistung der DAU kann aus der Cloud bezogen oder als oder lokale Servicelösung eingesetzt werden.

Die Cloud als Einstiegshilfe

Der Einstieg in die neue Technologie erfolgt am einfachsten „as-a-Service“: Die Ressourcen können aus der Cloud in Anspruch genommen und über Application Programming Interfaces (APIs) an die Unternehmens-IT angebunden werden. Da Quantencomputing-inspirierte Rechner ein spezielles Know-how erfordern, bedarf es in der Regel allerdings externer Expertenunterstützung. Problemlösungen und die damit verknüpften Fragestellungen müssen in mathematische Formeln „übersetzt“ werden, damit sie der Digital Annealer berechnen kann. Das Stichwort hierbei lautet QUBO (Quadratic Unconstrained Binary Optimization).

Höher, schneller, weiter

Die Leistung Quantencomputing-inspirierter Systeme erhöht sich permanent – und es ist immer noch viel Luft nach oben. So unterstützt die im März 2019 vorgestellte zweite Generation des Digital Annealers von Fujitsu Modelle mit acht Mal mehr Bits als die erste Generation vorzuweisen hatte. Auch die Genauigkeit steigt kontinuierlich. So können die Systeme auf einer nach oben offenen Skala immer komplexere Berechnungen durchführen.

Zurzeit befinden wir uns in einer Art Übergangsphase: Die Digitalisierung von nahezu allen Prozessen schraubt die Anforderungen an die IT immer höher. Immer öfter stoßen konventionelle Rechner dabei jedoch an ihre Leistungsgrenzen. Gerade in dieser Situation kommt Technologien wie dem Digital Annealing besonderer Bedeutung zu – sie spielen eine Schlüsselrolle bei Tempo und Umgang mit dem Wandel. Und sie geben einen Ausblick auf das, was kommen wird. So vereinen sie das Heute mit dem Morgen, sind hier und dort gleichzeitig – fast wie ein Qubit.

Weitere Informationen unter:
www.fujitsu.com

CC BY-SA 4.0 DE

 
 
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