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Quantencomputer: Die Erforschung schreitet voran!

Ein Beitrag von tzimmer 17 26.12.2019

Seit Jahrzehnten beschäftigen sich Forscher und Entwickler mit der Thematik der Quantencomputer. Nach jüngsten Forschungserfolgen und System-Veröffentlichungen scheint die kommerzielle Nutzbarkeit der Technologie immer näher zu rücken. Wie sehen die aktuellen Entwicklungen im Zusammenhang mit Quantencomputern bei einzelnen Wettbewerbern auf diesem Gebiet aus? Und lohnt sich bereits heute ein Investment in diese Unternehmen?
 
International Business Machines...
 
 
Alphabet Rg-A
 
 
Intel Corp
 

Die Forschungsbemühungen hinsichtlich der Entwicklung von Quantencomputern erstrecken sich nun bereits über mehrere Dekaden. Systeme mit geringer Anzahl an Qubits konnten bereits in den 1990er-Jahren experimentell realisiert werden. Eine kommerzielle Nutzbarkeit geriet jedoch erst in den vergangenen Jahren in Reichweite des technisch Möglichen. In diesem Zusammenhang konnte das Jahr 2019 mit positiven Meldungen aufwarten. Bereits im Januar präsentierte IBM in Las Vegas, im Rahmen der Elektronikmesse CES, den ersten kommerziellen Quantencomputer mit einer Leistung von 20 Qubits. Auch Google konnte vor Kurzem einen Durchbruch im Zusammenhang mit seinen Entwicklungsbemühungen verkünden. Forschern ist es gelungen, mit Hilfe des Prozessors „Sycamore“ eine Kalkulation innerhalb von 200 Sekunden durchzuführen, für die die aktuell leistungsfähigsten Superrechner etwa 10.000 Jahre benötigen würden. Durch dieses Experiment wurde das Konzept der „Quantenüberlegenheit“ demonstriert. Diese Quantenüberlegenheit beschreibt den Moment, in dem ein Quantencomputer beim Lösen einer Aufgabe die Leistung des besten herkömmlichen Superrechners übertrifft. Das Aufzeigen dieser Überlegenheit gilt gemeinhin als wichtiger Meilenstein zum Beleg des wirtschaftlichen Potenzials der Quantencomputer. Herkömmliche Computer führen ihre Berechnungen über das Binärsystem in logischen Verknüpfungen, die in der Informatik durch die beiden Zahlen 0 und 1 dargestellt werden, durch. Quantencomputer können darüber hinaus jedoch auch quantenmechanische Überlagerungszustände von Nullen und Einsen gleichzeitig verarbeiten, wodurch die Leistungsfähigkeit exponentiell ansteigt. Eins der Hauptprobleme im Zusammenhang mit dem Bau von Quantencomputern liegt in deren Störanfälligkeit. Die Quantenbits reagieren sensibel auf Wärme, Erschütterungen und äußere elektrische Einflüsse. Um Fehler in der Funktionsweise der Maschinen zu vermeiden, müssen die Entwickler die Systeme so konzipieren, dass oben genannte Störfaktoren keinen Einfluss auf die Arbeitsweise der Quantencomputer entfalten können. Hinsichtlich dieser Systemstabilität scheinen in den vergangenen Jahren erhebliche Fortschritte möglich geworden zu sein. So konnte IBM sein Exemplar im Rahmen der CES gar dem Publikum präsentieren. Nachdem auch dies nun einen weiteren Schritt in Richtung einer breiteren kommerziellen Nutzbarkeit darstellt, soll im Folgenden die derzeitige technologische Position einiger Wettbewerber eingehender betrachtet und analysiert werden.

Alphabet Rg-A (US02079K3059)

Die kürzlich erfolgte Bekanntgabe des Experiments zum Aufzeigen der Quantenüberlegenheit stellt für Google einen Prestigeerfolg gegenüber der Konkurrenz dar. Der neue Quantenprozessor des Unternehmens namens Sycamore schaffte es dabei, 53 Qubits miteinander zu verschränken. Auch mit dieser Zahl hält man derzeit einen Rekord. Wichtig ist in diesem Zusammenhang jedoch die Klarstellung, dass sich das beschriebene Experiment nicht für die Bewältigung konkreter, alltäglicher Anwendungen eignet. Es handelte sich hierbei lediglich um eine Ausführung zwanzig zufällig ausgewählter Operationen auf sämtlichen Qubits mit anschließender Auswertung der Ergebnisse. Die resultierende 53-stellige Zahlenfolge ist dabei zufällig und ähnelt im Grundprinzip der Herleitung von Zufallszahlen auf herkömmlichen Rechnern. Die Ausführung dieses „Qubit-Gatters“ konnte der Quantencomputer von Google mit einer geringen Fehlerrate von 0,3 Prozent abschließen, was zuvor noch nicht erreicht werden konnte. Kritiker mahnen im Zusammenhang mit dem Experiment an, dass der Versuch explizit auf die Möglichkeiten des Quantencomputers zugeschnitten war, woraus sich noch keine zukunftsnahe Anwendungsreife der Systeme ableiten ließe. Auch der Konkurrent IBM zweifelt an der Vergleichszahl von 10.000 Jahren, welche der konventionelle Vergleichsrechner benötigen solle. IBM argumentiert, dass das gestellte Problem mit einem leistungsfähigeren Algorithmus auch auf den heutigen Superrechnern innerhalb von zweieinhalb Tagen gelöst werden könne. Die Umsetzung dieser These durch IBM-Forscher war zum Zeitpunkt der Äußerung jedoch noch nicht vorhanden. Unabhängig von der Kritik am Versuchsaufbau bleibt unter dem Strich die Funktionsfähigkeit des neuen Sycamore-Prozessors mit 54 Qubits mit einer geringen Fehlerrate bestehen. Die kostenintensiven Forschungsbemühungen der vergangenen Jahre scheinen sich für Google in Form einer guten technologischen Ausgangsstellung materialisiert zu haben. Bereits im Jahr 2018 verkündete Google die Entwicklungsarbeit an einem 76 Qubit-Prozessor. Dieser Prozessor soll auf den Namen „Bristlecone“ hören und würde das Unternehmen im Rennen um die höchsten Leistungskapazität weiteren Vortrieb verleihen.

International Business Machines Corp (US4592001014)

Auch IBM stand dieses Jahr bereits im Zusammenhang mit Quantencomputern im Fokus des öffentlichen Interesses. Im Januar veröffentlichte man den ersten integrierten, kommerziellen Quantencomputer der Welt. Das System verfügt über eine Leistung von 20 Qubits und hört auf den Namen „IBM Q Systems One“. In den kommerziellen Verkauf möchte IBM jedoch noch nicht eintreten. Der Quantencomputer wird für Nutzer über eine Cloud erreichbar sein, worüber er programmiert werden kann und seine Ergebnisse übermittelt. Dieses Modell hat IBM bereits zuvor mit einem 5-Qubit-Rechner durchgeführt. Vor dem Hintergrund dieses Programms hat sich das Unternehmen im Rahmen seines „IBM-Q-Netzwerks“ bereits etwa 500 Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft gesichert, welche die IBM-Technik nutzen. Dieser Umstand könnte im weiteren Verlauf der Entwicklung für die Kommerzialisierung noch wichtig werden. Zum Betrieb dieser Quantencomputer hat IBM in Poughkeepsie im US-Bundesstaat New York ein neues Zentrum für Quanten-Computing errichtet, welches die Technik zukünftig beherbergen wird. Über das Q-Netzwerk hinaus kooperiert der amerikanische Konzern auch mit der Fraunhofer-Gesellschaft. Im Rahmen dieser Zusammenarbeit wird IBM ein Q System One an einem deutschen Forschungsstandort platzieren und im Forschungsbetrieb einsetzen. Aus dieser Anwendung erhofft man sich Erfahrungswerte hinsichtlich der Fähigkeiten der Systeme sowie der Ausbildung von Nutzern. Der Weg aus dem Labor in den alltäglichen Produktivbetrieb soll in diesem Zusammenhang umfassend erprobt werden. Während Google aktuell bei der Leistungsfähigkeit der Quanten-Prozessoren wohl über Vorteile verfügt, so scheint IBM hinsichtlich der Vermarktungsstrategie und des Partnernetzwerks besser aufgestellt sein. Bereits in den vergangenen Jahren waren die Systeme des Unternehmens für diverse Nutzer erreichbar. Diese frühzeitige Verfügbarkeit der Systeme und der Umgang mit diesen könnte zukünftige Investitionsentscheidungen zu Gunsten der IBM-Systeme beeinflussen. Doch auch hinsichtlich der Leistungsfähigkeit hat IBM Fortschritte angekündigt. Bereits im Februar 2018 hatte das Unternehmen die Fertigung eines 50-Qubit-Prozessor-Prototyps bekannt gegeben, welcher sich seither im Testbetrieb befindet. Sofern dieser für den operativen Betrieb freigegeben wird, soll er als Grundlage für die nächste Generation der IBM Q Systeme dienen und im Rahmen des Q-Netzwerks verfügbar werden.

Intel Corp (US4581401001)

Für einen der aktuellen Marktführer im Bereich der Computer-Hardware, dem Prozessor- und Halbleiterspezialisten Intel, könnten die Quantencomputer eine Bedrohung der derzeitigen Marktstellung darstellen. Daher erscheint es wenig verwunderlich, dass sich auch Intel bereits seit längerer Zeit mit Themenfeld beschäftigt. Bereits im vergangenen Jahr hat Intel den Bau einer Produktionslinie für Qubit-Wafer in 300-mm-Technik angekündigt. Gemeinsam mit den finnischen Unternehmen „Bluefors“ und „Afore“ hat Intel zudem eine Testgerätelinie entwickelt, die Cryogenic Wafer Prober. Durch diese soll es ermöglicht werden, Qubits auf 300-mm-Wafern innerhalb einer Stunde auf Temperaturen von wenigen Kelvin zu bringen und diese anschließend Tests zu unterziehen. Diese Technologie soll vor allem die Entwicklungsarbeit in Zusammenhang mit neuen Materialien oder der Funktionsfähigkeit einzelner Qubits unterstützen. Darüber hinaus könnten hierdurch auch Ursachen des Quantenrauschens untersucht werden. Derzeit besteht noch Unsicherheit bezüglich der Frage, ob die Halbleitertechnik die beste Möglichkeit zur Herstellung von Qubits darstellt. Daher bietet die Entwicklung von Testsystemen zur Unterstützung der Entwicklung und Produktion von Prozessoren für Intel auch eine Möglichkeit zur Diversifizierung des eigenen Geschäftsmodells für die Zukunft. Innerhalb des eigenen Wettbewerbsfeldes könnte man Intel ebenfalls eine gute Ausgangsposition attestieren. Während die Aufrechterhaltung des Moore´schen Gesetztes in der Halbleiterindustrie in Zukunft die Kosten und den Aufwand für die Produzenten in die Höhe treiben könnten, böten Quanten-Prozessoren neuen Spielraum für technische Weiterentwicklungen und damit einhergehende Leistungssteigerungen der eigenen Produkte. Vor diesem Hintergrund könnte Intel´s aktuelle Marktposition und die damit verbundenen Einnahmen dem Unternehmen einen Entwicklungsvorsprung ermöglichen. Im vergangenen Geschäftsjahr lag der Forschungs- und Entwicklungsaufwand bei 13,5 Milliarden US-Dollar. Diese Zahl belief sich beim Konkurrenten AMD auf lediglich 1,4 Milliarden US-Dollar. Zwar forscht und entwickelt Intel derzeit an einer Vielzahl neuer Projekte in unterschiedlichen Bereichen, beispielsweise auch im Zusammenhang mit dem Autonomen Fahren, jedoch zeigt dieses Verhältnis deutlich die Investitionsmöglichkeiten, die dem Unternehmen aus Santa Clara derzeit offenständen, sofern sich das Management für die Intensivierung der Entwicklungsarbeit entschließen würde.

Die Möglichkeiten, welche sich aus der Anwendung von Quantencomputern beispielsweise im Zusammenhang mit kryptographischen Problemen, Anwendungen künstlicher Intelligenz, der Datensuche, bei der Lösung von Optimierungsaufgaben oder beim Auffinden neuer chemischer Verbindungen ergeben könnten, lassen den derzeitigen Forschungs- und Entwicklungsaufwand als lohnenswert erscheinen. Dennoch muss festgestellt werden, dass die Projekte für die forschenden Unternehmen aktuelle hohe Kosten verursachen, während die kommerzielle Verwertbarkeit der Ergebnisse aktuell noch sehr eingeschränkt ist. Erste Modelle zu einer umfassenden Monetarisierung scheint IBM derzeit zu testen. Für Google könnten im Zusammenhang mit dem Einsatz von Quantencomputern auch die Verbesserung der eigenen Services und Prozesse einen hohen Wert besitzen, das Unternehmen könnte in geringerem Maße von hardwarebezogenen Einnahmen abhängig sein als „Big Blue“. Für Intel könnten Quantencomputer ebenfalls eine starke Disruption des Geschäftsmodells zu bedeuten, auch wenn Intel im Zusammenhang mit Anwendungen seiner Chips in Geräten abseits des klassischen Computergeschäfts zukünftig noch Potenzial für Umsatzsteigerungen zu besitzen scheint. Ein Investment in eines der genannten Unternehmen könnte zum gegenwärtigen Zeitpunkt allein aufgrund von Quantencomputern noch nicht sinnvoll sein, zu groß sind in diesem Zusammenhang noch Fragestellungen bezüglich der technologischen Weiterentwicklung und der Vermarktbarkeit. Jedoch verfügen Google, IBM und Intel über den Willen und die Mittel, umfangreichen Forschungsaufwand auf diesem Feld zu betreiben, um dieses aktiv mitzugestalten und einen frühzeitigen kommerziellen Markteinstieg zu ermöglichen.


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