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Robustes Quantencomputing für die Praxis

Quantencomputing hat das Potenzial, eine Vielzahl von Industrien massiv und nachhaltig zu verändern und zahlreiche neue Anwendungen zu ermöglichen. Dazu zählen beispielsweise Simulationen neuer Materialien für effizientere Solarzellen und Batterien sowie datenintensive Anwendungen für Künstliche Intelligenz (KI) und Cybersicherheit.

© Fraunhofer IKS
Karsten Roscher.
© IBM Research
Die Fraunhofer-Gesellschaft hat im November den ersten Quantencomputer nach Deutschland geholt; das Fraunhofer IKS unterstützt die zugehörige Software-Entwicklung durch zuverlässiges und robustes Quantencomputing.

Herr Roscher, Sie arbeiten in einem absoluten Trendbereich, dem Quantencomputing. Was ist das und wie kann die Gesellschaft hierdurch praktisch vorangebracht werden?

Ganz vereinfacht gesprochen sind Quantencomputer heutigen Rechnern für gewisse Aufgabenstellungen in puncto Verarbeitungsgeschwindigkeit um ein X-Faches überlegen. Anders gesagt: Quantenrechner sollen künftig Probleme in Sekunden lösen, für die bisherige Computer Jahrhunderte brauchen. Das macht zahlreiche neue Anwendungen möglich. Dazu zählen Lösungen für komplexe Optimierungsprobleme in der Logistik-, Finanz- und Versicherungsindustrie, aber auch eine bessere medizinische Diagnostik.

Und an welchen Stellen bringen Sie mit Ihrer täglichen Arbeit die Technologieentwicklung voran?

Im Rahmen der Entwicklung von Software-Anwendungen für Quantencomputing konzentriert sich das Fraunhofer IKS mit seiner Expertise in Sachen Safety auf das Forschungsfeld »Zuverlässiges und robustes Quantencomputing«. Denn Quantencomputing bietet wie schon gesagt viele Möglichkeiten für innovative Problemlösungen, allerdings kann es erst dann einen echten Mehrwert liefern, wenn die Berechnungen zuverlässig und sicher sind. Neben der reinen Rechenleistung ist daher die Robustheit des Quantencomputing eine Grundvoraussetzung für einen erfolgreichen Einsatz in der Praxis. 

Welchen konkreten Einfluss hat die Mikroelektronik auf Ihre Arbeit?

Unabhängig vom konkreten Quantencomputing-Projekt steckt Mikroelektronik in jedem Gerät, mit dem wir täglich arbeiten. Ohne die ständig steigende Rechenleistung auf allen Ebenen, wäre eine breite Anwendung des Maschinellen Lernens überhaupt nicht möglich. Der Erfolg von Künstlicher Intelligenz ist also auch ein Erfolg der Mikroelektronik.

Und was sind die größten Herausforderungen an denen Sie derzeit forschen?

Der Einsatz Neuronaler Netze in sicherheitskritischen Umfeldern ist sehr herausfordernd, da selbst kleine Veränderungen am Input wie beispielsweise einem Bild zu einem anderen Ergebnis der Berechnungen führen können. Benötigt wird also ein Qualitätsnachweis für die Berechnungen des Neuronalen Netzes. Dafür kommen bestimmte Algorithmen zum Einsatz, was aktuell jedoch nur für relativ einfach Netze funktioniert. Denn mit der Größe und Komplexität eines Neuronalen Netzes steigt die für die Nachweisführung benötigte Berechnungszeit massiv. Daher untersuchen wir am Fraunhofer IKS, wie die Optimierung und Absicherung autonomer, vernetzter Systeme mithilfe des Quantencomputing verbessert werden kann.

 

Karsten Roscher ist seit 2010 am Fraunhofer-Institut für Kognitive Systeme IKS (damals noch das Fraunhofer ESK). Er leitet seit 2020 die Abteilung für Zertifizierbare Künstliche Intelligenz. Karsten Roscher studierte Informatik und Elektrotechnik mit den Schwerpunkten Multimediale Systeme, Rechnernetze und Robotvision an der Technischen Universität Ilmenau. Derzeit forscht er an der zuverlässigen Bestimmung von Unsicherheiten sowie an Methoden zur Sicherstellung von Robustheit und Nachvollziehbarkeit für das maschinelle Lernen.