Quantentechnologie : Unternehmen sollten früh Quantencomputing-Anwendungen entwickeln

Quantencomputing ist in der öffentlichen Wahrnehmung und Berichterstattung vorzugsweise ein Thema der Hardwareentwicklung. Dabei gerät das Thema Software für Quantencomputer leicht aus dem Blickfeld. Mit Quantencomputern werden sich bestimmte Probleme effizient lösen lassen, an denen heute selbst Hochleistungsrechner noch scheitern. Dies gelingt aber nur dann, wenn auch die passende Software zur Verfügung steht, die auf die jeweilige Anwendung spezifisch zugeschnitten ist. Softwareanwendungen, die wirtschaftlich relevant sind, für Quantencomputer zu entwickeln, ist mit vielen Herausforderungen verbunden. Damit können und sollten Unternehmen sich heute schon auseinandersetzen, um sich Wettbewerbsvorteile zu sichern, sobald die Hardware reif genug ist. Die im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) entstandene Studie „Quantencomputing − Software für innovative und zukunftsfähige Anwendungen“ der Begleitforschung zum Technologieprogramm KI-Innovationswettbewerb rückt diesen Aspekt und damit die Entwicklung von Quantencomputing-Software in den Mittelpunkt.

Das mag mit Blick auf den Entwicklungsstand der Hardware erst einmal irritieren. Denn die bis heute entwickelten Quantencomputer sind zwar schon in der Lage, Rechenoperationen auf der Basis von Quantenschaltkreisen durchzuführen. Die Systeme sind bislang aber immer noch sehr stör- und fehleranfällig und verfügen noch nicht über die notwendige Rechenleistung, um für wirtschaftlich relevante Problemstellungen den tatsächlichen Vorteil von Quantencomputern gegenüber klassischen Rechnerstrukturen zu nutzen – den sogenannten Quantum-Advantage. Wann die Systeme soweit sein werden, lässt sich derzeit noch nicht sicher prognostizieren. Auch ohne diesen bislang erreichten Vorteil können jedoch praktische Problemstellungen, wenn auch oft in vereinfachter Form, schon mit den heute zur Verfügung stehenden Quantencomputern berechnet werden. Über Cloud-Services öffentlicher und privater Anbieter erhalten Interessierte sowohl Zugang zur Hardware als auch zu Softwareenwicklungsumgebungen.

Unternehmen, die jetzt in die Software-Entwicklung einsteigen, erwartet ein Milliardenmarkt

Ein Großteil der Entwicklungsarbeiten für Quantencomputer-Software erfolgt auf klassischen Rechnern in heute gängigen Programmiersprachen. Die Auseinandersetzung mit der Entwicklung von anwendungsorientierter Quantensoftware, auch für mittelständische Unternehmen, ist damit nicht nur bereits möglich, sondern derzeit aufgrund des herrschenden offenen und austauschorientierten Klimas auch besonders zu empfehlen. Denn zum einen sind die Zugänge zu Technologie und Expertisen und damit die Möglichkeiten zur aktiven Vernetzung zurzeit noch sehr leicht, zum anderen könnten sich Unternehmen Wettbewerbsvorteile sichern, indem sie frühzeitig Quantencomputing-Anwendungsfälle im eigenen Unternehmenskontext identifizieren und evaluieren. Zumal sie so auch an Prozessen zur Festlegung von Standards, der Definition von Referenzanwendungsfällen und der Etablierung Evaluationskriterien mitwirken können.

Während die Kosten für Quantencomputing-Hardware auch zukünftig hoch bleiben und daher ein Massenmarkt für Quantencomputer unwahrscheinlich ist, zeigen Marktprognosen, dass das wirtschaftliche Potenzial von Quantencomputing vor allem in den Bereichen Software und Services liegt. Bereits im Jahr 2030 wird demnach die weltweite Wertschöpfung durch Quantencomputing-Software doppelt so hoch sein wie durch Quantencomputing-Hardware. Für Deutschland wird ab 2050 eine jährliche Wertschöpfung von bis zu 53,1 Mrd. Euro durch Endanwendungen erwartet.

Wo die Potenziale besonders hoch sind

Chancen eröffnen sich durch den Einsatz von Quantensoftware vor allem für neue Anwendungen und Geschäftsmodelle in der Finanz-, Energie- und Gesundheitswirtschaft, im Transportwesen, Produktion und Logistik sowie der IT-Sicherheit. Welche Probleme in aktuellen Anwendungsszenarien mit Quantencomputing bereits angegangen werden, ist auch Schwerpunkt des vom BMWK geförderten Projekts PlanQK, das eine Plattform und ein Ökosystem für quantenunterstützte Künstliche Intelligenz aufbaut. Neben einer effizienten Wissensvermittlung soll die Plattform auch einen App-Store enthalten, über den künftig anwendungsspezifische Quantencomputing-Software angeboten werden soll.

Um Unternehmen den Einstieg in die Entwicklung entsprechender Softwareanwendungen zu erleichtern, wurden die für die Studie untersuchten Anwendungsfälle von PlanQK kategorisiert und nach Anwendungsdomäne, Problemkategorie und Problemklasse strukturiert. Ähnlich gelagerte Fälle lassen sich auf diese Weise leicht identifizieren, sodass hilfreiche Informationen für eigene Entwicklungen abgeleitet werden können.

Wertschöpfungspotenziale ergeben sich demnach derzeit vor allen für komplexe Optimierungsverfahren wie etwa der Optimierung der Belegungsplanung von Maschinen. Auch für chemische Simulationen bietet Quantencomputing neue Optionen, beispielsweise für die Entwicklung von Medikamenten oder modernen Batterietechnologien. Zudem hat Quantencomputing das Potenzial im Bereich KI, vor allem für generative Verfahren beim Maschinellen Lernen, enorme Vorteile zu bieten.

Eine aktuelle Kernherausforderung ist es noch, den Übergang von individuellen Lösungsansätzen zu allgemein anwendbaren Gesetzmäßigkeiten für die Lösungsfindung zu ermöglichen, um damit den Weg vom Labor auf den Markt in Zukunft zu verkürzen. Das betrifft zum Beispiel die passende Zuordnung von Algorithmen zu Problemklassen oder von Problemklassen zu passender Hardware. Zudem gilt es, die rechtlichen und regulatorischen Rahmenbedingungen und damit auch die gesellschaftliche Akzeptanz von Quantencomputing-Anwendungen noch zu entwickeln.

Steffen Wischmann ist Leiter der Begleitforschung zum Innovationswettbewerb „Künstliche Intelligenz als Treiber für volkswirtschaftlich relevante Ökosysteme“ des BMWK und Gruppenleiter „Künstliche Intelligenz und Zukunftstechnologien“ im Bereich Gesellschaft und Innovation der VDI/VDE Innovation + Technik GmbH.