Die Brücke zum Quantencomputing

Quantencomputer werden die IT nachhaltig verändern, denn sie bieten eine vielfach höhere Rechenleistung als bisherige Systeme. Doch bislang sind sie nur in Forschungslaboren anzutreffen. Lösungen wie der Quantencomputing-inspirierte Digital-Annealer schlagen die Brücke in die Zukunft der IT und helfen Unternehmen bereits heute bei der Lösung praktischer Probleme.

Eine aktuelle Studie von Fujitsu und dem Analystenhaus PAC hat vor allem eines sehr deutlich gezeigt: Die Führungskräfte in den Unternehmen setzen große Hoffnung in die Entwicklung von Quantencomputern und erhoffen deren baldige Marktreife. Fast alle der Studienteilnehmer fühlen sich durch die limitierte Leistungsfähigkeit bestehender technischer Lösungen ausgebremst. Leider aber wird sich an dieser Situation so schnell nichts ändern. Die Entwicklung des Quantencomputings steckt in den Kinderschuhen, eine Serienreife ist einstweilen nicht in Sicht.

 

Brückentechnologie bietet neue Perspektiven

Doch sieben von zehn Führungskräften sehen auch eine alternative Option: eine Quantencomputing-inspirierte Technologie, die Fujitsu unter der Bezeichnung „Digital Annealer“ anbietet und die in puncto Leistungspotenzial zeigt, wohin die Reise geht. Sie bietet schon heute eine Art Brückentechnologie und ist in der Lage, komplexe kombinatorische Optimierungsprobleme deutlich schneller zu lösen als jede andere praktikabel einsetzbare Technologie.

Das Digital-Annealing kommt ohne aufwändige Kühlung aus, während ein Quantencomputer fast bis auf den absoluten Nullpunkt (-273 Grad Celsius) heruntergekühlt werden muss. Zudem benötigt er absoluten Schutz vor elektromagnetischer Strahlung und Erschütterungen.

Der Kern der Digital-Annealing-Technologie ist ein spezieller Prozessor, der in konventioneller, Silizium-basierter Halbleitertechnik hergestellt wird und in herkömmliche IT-Infrastrukturen integriert werden kann. Diese Digital-Annealing-Unit (DAU) sorgt aufgrund einer speziellen Prozessorarchitektur bei bestimmten Anwendungen, wie etwa der Lösung kombinatorischer Optimierungsprobleme, für immense Beschleunigungen im Vergleich zu herkömmlichen Rechnern. Berechnungen, die bislang selbst mit Highend-Servern Minuten oder gar Stunden dauern, sind damit in Sekundenschnelle möglich.

Ein zu lösendes Problem wird hierbei durch Parallelisierung aufgeteilt und in den einzelnen Threads weitgehend simultan bewertet. Dieser Vorgang wird in hoher Anzahl viele Male wiederholt. Gesucht wird das vorher nicht bekannte Optimum eines Wertefelds. Salopp formuliert: Ein Digital-Annealer rechnet nicht in einem Durchgang das exakte Ergebnis aus, sondern nähert sich in vielen Berechnungen dem besten Wert an.

 

Zahlreiche Anwendungsbereiche

Derartige Systeme sind generell für Berechnungen prädestiniert, bei denen es viele Lösungsmöglichkeiten gibt: Ein klassisches Beispiel ist das „Problem des Handlungsreisenden“. Dieser soll Kunden in mehreren Städten besuchen – und zwar idealerweise auf der kürzesten Gesamtstrecke. Bereits bei lediglich fünf Orten ergeben sich 120 mögliche Routen. Bei 32 ist eine exponentielle Zunahme der Lösungsmöglichkeiten festzustellen – auf 2,63 x 1035 mögliche Varianten, die analysiert werden müssen. Vor nahezu gleichen Herausforderung wie der fiktive Handlungsreisende stehen Fachleute in Bereichen wie der Logistik. Auch dort ist es notwendig, Transportwege zu reduzieren. Ein Beispiel ist die Lagerlogistik in Fertigungsumgebungen. Die Herausforderung besteht darin, mit möglichst geringem Aufwand Material aus dem Lager zu den Fertigungssystemen zu transportieren. Dieser Faktor wird immer wichtiger, weil der Trend in Richtung individuelle Produkte geht. Das heißt, je nach Bestellung müssen an den Bearbeitungsstationen unterschiedliche Rohmaterialien angeliefert werden. Mithilfe des Digital-Annealings kann ein Unternehmen die optimale Route ermitteln, die Lagerarbeiter nehmen müssen, um die benötigen Materialien aus den Regalen zu entnehmen und zum Bearbeitungsort zu transportieren. Außerdem kann ein solches System berechnen, wo und wie die Regale am besten platziert werden müssen. Auch bei akuten Störungen lassen sich Neudispositionen in Echtzeitbedingungen umsetzen.

Weitere Einsatzszenarien sind die Berechnung der effizientesten Route für Lieferfahrzeuge, oder der optimalen Bewegungsabläufe von Roboterarmen in Produktionsumgebungen. In Chemie und Pharmazie können Moleküle, die einander ähneln, mithilfe dieser Technologie deutlich schneller aufgespürt und etwa neue Medikamente schneller und kostengünstiger als bisher entwickelt werden. Im Finanzsektor sind Unternehmen etwa in der Lage, ihren Bestand hochwertiger liquider Vermögenswerte zu optimieren.

Der Digital-Annealer steht onpremise sowie „as a Service“ zur Verfügung, wobei der Digital-Annealer-Cloud-Service über Application-Programming-Interfaces (APIs) an die Unternehmens-IT angebunden wird. Hilfe bei Implementierung und Betrieb bietet unter anderem der Digital-Annealer-Technical-Service von Fujitsu.

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

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