Digital Annealer: Technologien von morgen schon heute nutzen

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.