Quanten-Annealing im Jahr 2026: Praktisches Quantencomputing
Quanten-Annealing ist eine vielversprechende Quantentechnologie für Unternehmen mit dringenden Optimierungsproblemen, die herkömmliche Computer nicht schnell lösen können. Sie kann Optimierungsprobleme effektiver lösen als herkömmliche Computer. Allerdings wird sie derzeit hauptsächlich in der akademischen Forschung eingesetzt, und es bedarf weiterer Forschung und Entwicklung, um kommerzielle Quanten-Annealer zu entwickeln.
Es gibt verschiedene Ansätze zum Bau von Quantencomputer-Hardware, beispielsweise universelle Gate-Modell-Quantencomputer und Quanten-Annealer. Universelle Gate-Modell-Quantencomputer, auch als Allzweck-Quantencomputer bezeichnet, sind die leistungsstärksten und flexibelsten Quantencomputer, jedoch ist es schwierig, die Stabilität der Qubits zu gewährleisten und aufrechtzuerhalten.
Quanten-Annealer sind hinsichtlich ihrer Anwendung die am wenigsten flexible Art von Quantencomputern, aber es ist einfacher, einen stabilen Quanten-Annealing-Prozessor und Qubits zu bauen.
Was ist Quanten-Annealing?
Quantum Annealing (wozu auch adiabatisches Quantencomputing gehört) ist eine Quantencomputing- Methode, die dazu dient, optimale Lösungen für Probleme mit einer großen Anzahl von Lösungen zu finden, indem sie Eigenschaften nutzt, die spezifisch für die Quantenphysik sind, wie Quantentunneln, Verschränkung und Superposition.
Ein adiabatischer Prozess ist ein in der Thermodynamik gebräuchlicher Begriff. Um beispielsweise Eisen zu härten, kann die Temperatur erhöht werden, wodurch sich die Molekülgeschwindigkeit erhöht und stärkere Bindungen bilden. Das Stabilisieren dieser Bindungen durch langsames Abkühlen wird in der Metallurgie als „ Glühen “ bezeichnet. Quantenglühen funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip, wobei die Temperatur durch Energie ersetzt wird und der Zustand niedrigster Energie, das globale Minimum, durch Glühen erreicht wird.
Wie schneidet es im Vergleich zu anderen Qualitätskontrollverfahren ab?
Es gibt drei grundlegende Quantencomputermethoden: das analoge Quantenmodell , das universelle Quantengattermodell und das Quanten-Annealing. Obwohl diese Ansätze scheinbar völlig unabhängig voneinander sind, gibt es Überschneidungen. Die drei Modelle bieten unterschiedliche Perspektiven auf die praktischen Anwendungen des Quantencomputings.
Das universelle Quantengattermodell basiert auf der Erzeugung von Quantenstrukturen mithilfe stabiler Qubits und der Lösung aktueller Probleme mit Quantenschaltungen. Qubits sind jedoch schwer zu stabilisieren. Dieses Problem verschärft sich mit zunehmender Anzahl an Qubits. Daher sind Computer, die auf dem universellen Quantengattermodell basieren, derzeit auf Labore beschränkt und finden noch keine praktischen Anwendungen.
Andererseits bietet das Quanten-Annealing einen Ansatz, der sich auf die Lösung NP-schwerer Probleme konzentriert und weniger anfällig für Rauschen ist als das Gate-Modell- Quantencomputing. Diese Eigenschaft ermöglicht die Nutzung von mehr Qubits und somit die Verwendung von mehr Parametern für spezifische Probleme.
Wie funktioniert Quanten-Annealing?
In Quanten-Annealern entspricht jeder Zustand einem Energieniveau. Diese Zustände werden in kurzer Zeit simuliert, indem die Superpositions- und Verschränkungseigenschaften von Qubits ausgenutzt werden, und das Ergebnis mit der niedrigsten Energie wird ermittelt. Der Zustand mit der niedrigsten Energie stellt die optimale bzw. wahrscheinlichste Lösung dar.
Betrachten wir beispielsweise das Problem des Handlungsreisenden. Stellen Sie sich einen Handelsreisenden vor, der 50 verschiedene Städte ansteuern und auf dem kürzesten Weg zum Ausgangspunkt zurückkehren muss. Mathematisch gesehen gibt es 50 Fakultäten verschiedener Lösungen für dieses Problem. Da wir die kürzeste Strecke suchen, müssen wir die Situation mit dem geringsten Energieaufwand finden, also das globale Minimum.
Den kürzesten Weg durch die Berechnung aller Möglichkeiten zu finden, ist eine zeit- und energieaufwändige Methode; für viele komplexe Probleme ist sie nahezu unmöglich.
Mithilfe von Quanten-Annealing wird dieses Problem mit der Kopplungs- Qubit-Methode formuliert . Dank der unterschiedlichen Magnetfelder, die an die Qubits angelegt werden, wird die Entfernung zwischen den einzelnen Städten als Energieparameter in das Design einbezogen.
Aufgrund der Verschränkungseigenschaft kann jedes Qubit den Zustand der anderen beeinflussen, und jede Lösung erzeugt einen neuen Zustand. Ein Quanten-Annealer berechnet den Zustand mit der niedrigsten Energie unter diesen Zuständen, der der optimalen Lösung entspricht.
Ein weiterer wichtiger Punkt ist der Quantentunnel- Effekt. Dank dieses Effekts erfolgt der Übergang zwischen Zuständen instantan. Das bedeutet, dass Elektronen für den Übergang zwischen den Energieniveaus keine Barriere überwinden müssen; sie passieren sie einfach.
Warum ist das jetzt wichtig?
Quanten-Annealing ist klassischen Rechenmethoden bei der Lösung bestimmter Optimierungsprobleme überlegen, die in zahlreichen Branchen wie dem Gesundheitswesen und dem Finanzsektor von Bedeutung sind. Darüber hinaus dürfte Quanten-Annealing voraussichtlich vor anderen Quantentechnologien kommerziell verfügbar sein.
Die Datenmengen nehmen stetig zu, und Quanten-Annealing bietet herausragende Methoden zur Lösung von Optimierungsproblemen, deren Komplexität mit zunehmender Datenverfügbarkeit steigt . Es verspricht, das richtige Werkzeug für die rasante Entwicklung in Wissenschaft, Mathematik und Ingenieurwesen zu sein.
Obwohl Quanten-Annealing noch nicht so weit verbreitet ist wie Quantencomputer, ist es kurzfristig vielversprechend. Das liegt daran, dass es im Vergleich zum Quantengattermodell und analogen Quantenverfahren deutlich robuster gegenüber Störungen ist. Derzeit bieten Anbieter kommerzielle Quanten-Annealing-Lösungen an, während eine universelle Quantencomputerlösung noch in der frühen Forschungsphase steckt.
Was sind die potenziellen Anwendungsgebiete/Einsatzfälle?
Quanten-Annealing wird im Allgemeinen zur Lösung kombinatorischer Optimierungsprobleme eingesetzt, beispielsweise im maschinellen Lernen, bei der Portfoliooptimierung und der Routenoptimierung. Der Grund dafür ist, dass Optimierungsprobleme darauf abzielen, das Minimum einer Funktion zu finden, und Quanten-Annealing kann zur Berechnung des Minimums einer Funktion mit vielen Variablen verwendet werden.
Im Hinblick auf die potenziellen Anwendungsgebiete können wir die Hauptthemen wie folgt auflisten.
- Maschinelles Lernen
- Optimierung
- Finanzmodellierung
- Sicherheit
- Gesundheitspflege
- Materialwissenschaft und Chemie
Welche Alternativen gibt es?
Das Quanten-Annealing kann mit einigen verwandten Methoden verglichen werden, wie zum Beispiel dem digitalen Annealing und dem Gate-Modell-Quantencomputing.
Klassische Informatik
Bei Problemen mit begrenzter Komplexität können klassische Computerverfahren eingesetzt werden, um mithilfe von Heuristiken optimale oder nahezu optimale Lösungen zu finden.
Digitales Tempern
Fujitsus digitales Annealing- Verfahren emuliert Quanten-Annealing mithilfe einer digitalen Computerarchitektur. Dieses Verfahren, das nicht exakt Quanten-Annealing entspricht, ist eine Quanten-Annealing-Simulation mit CMOS-Schaltungen.
Der Digital Annealer ist ein Spezialchip, der mithilfe von Gewichtsmatrizen und Bias-Vektoren mögliche Zustände parallel berechnet. Um ein kombinatorisches Optimierungsproblem zu lösen, „nutzt jeder Bitblock Eins-zu-Eins-Verbindungen über 1023 im Speicher abgelegte Gewichte“, erklärt Tamura, Mitarbeiter bei Fujitsu.
Diese Methode verspricht zwar nicht die Geschwindigkeit, die Quanten-Annealer bieten, aber sie bietet eine Stabilität, die Qubits heute nicht bieten können.
Welche Unternehmen sind am weitesten davon entfernt, dieses Produkt auf den Markt zu bringen?
Im März 2025 veröffentlichte D-Wave in Science eine Arbeit mit dem Titel „Jenseits der klassischen Berechnung in der Quantensimulation“, in der die weltweit erste Überlegenheit der Quantenberechnung an einem nützlichen, realen Problem demonstriert wurde.
- Der Advantage2-Prototyp von D-Wave führte eine Simulation magnetischer Materialien in wenigen Minuten durch, für die der Supercomputer Frontier (Oak Ridge National Lab) fast eine Million Jahre benötigt hätte.
- Der klassische Ansatz würde mehr als den jährlichen Stromverbrauch der Welt erfordern.
- Dies bestätigte, dass das Quanten-Annealing grundlegende Vorteile gegenüber klassischen Methoden bietet. 1
Ein weiterer Akteur im Bereich Quantenannealing ist das japanische Unternehmen NEC Corporation. Am 12. Dezember 2018 stellte das Unternehmen ein Forschungsprogramm zur Entwicklung einer Quantenannealing-Maschine vor. Weitere Informationen zu Produkten oder Forschungsergebnissen, insbesondere im Bereich Quantenannealing, liegen jedoch nicht vor.
Im Jahr 2018 begann die New Energy and Industrial Technology Development Organization mit der Finanzierung von Projekten zu Quantenannealing-Technologien mit supraleitenden Bauelementen.
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