Ein Geflecht aus kupferfarbenen Kabeln umschließt einen unscheinbaren Chip in der Mitte. Zu sehen ist der Advantage2-Quantenannealer von D-Wave. Dieser Quantenrechner steht künftig an der Florida Atlantic University in den USA. Er kann Optimierungsprobleme lösen, bei denen klassische Rechner an ihre Grenzen stoßen.
Ein einfaches Beispiel für ein Optimierungsproblem ist die Suche nach der besten Route für ein Fahrzeug in der Stadt. Dabei spielen nur wenige Variablen eine Rolle, zum Beispiel die Streckenlänge oder die aktuelle Verkehrslage. Überträgt man dieses Problem jedoch auf den gesamten Verkehr, wird es schnell deutlich komplexer. Plötzlich müssen die Wege von Hunderten oder Tausenden von Fahrzeugen koordiniert werden, um die Gesamtfahrzeit möglichst gering zu halten.
Solche Aufgaben lassen sich als Landschaft mit Hügeln und Tälern beschreiben. Jede mögliche Lösung entspricht einem Punkt in dieser Landschaft. Die Höhe des Punktes zeigt, wie gut oder schlecht diese Lösung ist. Hohe Hügel stehen für ungünstige Ergebnisse mit hohen Kosten, tiefe Täler für besonders gute Lösungen. Ziel ist es, den tiefsten Punkt zu finden. Klassische Optimierungsverfahren bewegen sich oft schrittweise bergab, ausgehend von einem zufällig gewählten Startpunkt. Dieser Ansatz kann zu guten Ergebnissen führen, birgt jedoch ein Risiko. Das Verfahren kann in einem Tal enden, das zwar besser ist als die Umgebung, aber längst nicht die beste Lösung darstellt. Höhere Hügel versperren dann den Weg, obwohl sich jenseits davon deutlich tieferer Täler befinden könnten.
Ein Quantenannealer wiederum nutzt Gesetze der Quantenmechanik, also der Physik der kleinsten Teilchen. In dieser Welt gelten andere Regeln als im Alltag. Teilchen können sich gleichzeitig in mehreren Zuständen befinden und durch Täler „tunneln“. Das bedeutet, sie können sich durch eigentlich unüberwindbare Barrieren bewegen. Diese besonderen Eigenschaften machen sich Quantencomputer zunutze. Statt an einem einzelnen Punkt zu starten, beginnt der Quantenannealer an vielen Stellen der Landschaft gleichzeitig. So kann er verschiedene Lösungswege parallel verfolgen, sich schrittweise in Richtung besserer Ergebnisse bewegen und sich durch Täler tunneln. Dadurch sinkt die Gefahr, früh in einer ungünstigen Lösung stecken zu bleiben.
Quantenannealer kommen dort zum Einsatz, wo viele Entscheidungen gleichzeitig getroffen werden müssen. Dazu gehören zum Beispiel die Modellierung von Molekülen bei der Entwicklung neuer Medikamente oder die bessere Planung von Lieferketten oder Stromnetzen. Die Florida Atlantic University hat mit dem Advantage2-Quantenannealer nun einen großen, öffentlich zugänglichen Quantencomputer direkt auf dem Campus installiert.
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