Quantenannealing

Quantenannealing ist eine Alternative zum universellen Gate-basierten Quantencomputing. Statt beliebige Algorithmen auszuführen, ist es auf Optimierungsprobleme spezialisiert: Finde die beste Lösung aus einer riesigen Menge von Möglichkeiten.

Das Prinzip stammt aus der Metallurgie: Beim Tempern (Annealing) wird Metall erhitzt und langsam abgekühlt, damit die Atome die energetisch günstigste Kristallstruktur finden. Quantenannealing überträgt diese Idee auf Quantensysteme. Ein System von Qubits wird in einen Anfangszustand versetzt und dann durch langsame Veränderung der Bedingungen in den Zustand niedrigster Energie überführt, der die optimale Lösung repräsentiert.

D-Wave Systems aus Kanada baut seit 2011 kommerzielle Quantenannealer. Der D-Wave Advantage hat über 5.000 Qubits und wird von Unternehmen wie Volkswagen, Lockheed Martin und der NASA genutzt. Allerdings ist umstritten, ob D-Waves Systeme tatsächlich einen Quantenvorteil gegenüber klassischen Optimierungsalgorithmen bieten.

Typische Anwendungen sind Routenoptimierung, Portfoliooptimierung in der Finanzbranche, Proteinstruktur-Vorhersagen und Materialdesign. Für universelle Berechnungen wie Shors Algorithmus zur Primfaktorzerlegung sind Annealer dagegen nicht geeignet.

Gerade als spezialisierter Ansatz zeigt das Quantenannealing, dass Quantencomputing nicht zwangsläufig den universellen Alleskönner bedeuten muss. Statt beliebige Algorithmen auszuführen, sucht es gezielt die beste Lösung in einem riesigen Möglichkeitsraum und ähnelt darin dem langsamen Abkühlen, mit dem die Natur stabile Strukturen findet. Ob daraus ein echter Vorteil gegenüber klassischen Verfahren erwächst, ist noch umstritten, doch das Beispiel macht deutlich, dass sich die Quantentechnik in verschiedene, jeweils auf bestimmte Probleme zugeschnittene Wege verzweigt, statt einer einzigen großen Vision zu folgen.