Quantum Computing is de volgende grote doorbraak. Experts zijn hiervan overtuigd. Maar het zal nog enkele jaren duren voordat de technologie van de toekomst de laboratoria verlaat. Moeten we dan maar afwachten? Dat zou een vergissing zijn: T-Systems biedt kwantum-geïnspireerde optimalisatie als overbruggingstechnologie. Bedrijven kunnen daarmee nu al de voordelen van Quantum Computing benutten en zich voorbereiden op de nieuwe technologie.
Kwantumcomputers kunnen sommige van de meest complexe industriële problemen efficiënter oplossen dan klassieke digitale computers. Conventionele computers gebruiken bits als de basiseenheid van gegevens. Ze verwerken de gegevens op een binaire manier en schrijven de code als 1 of 0. Ze voeren hun rekenkundige bewerkingen opeenvolgend uit: één bewerking moet voltooid zijn voordat een andere kan volgen. Dit wordt seriële verwerking genoemd. Kwantumcomputers zijn anders: ze gebruiken qubits als data-unit. De qubits kunnen meerdere toestanden aannemen; ofwel de waarde 0 of 1 of, in de zogenaamde "superpositie", ook opeenvolgende toestanden tussen 0 en 1. Op deze manier kunnen kwantumcomputers compleet nieuwe algoritmen uitvoeren. Dit verklaart waarom de technologie complexere rekentaken kan oplossen dan conventionele computers en veel sneller is.
In de digitale arbeidswereld hebben we te maken met een ongelooflijke veelvoud aan systemen die onderling verbonden en afhankelijk van elkaar zijn. Als je ingrijpt in één systeem, heeft dat gevolgen voor andere systemen. Dit simuleren vormt voor conventionele computers vaak een uitdaging. Ze bereiken met name hun grenzen als het om gecombineerde optimalisatieproblemen gaat en de computer met veel variabelen moet zien te werken. Dit komt omdat de mogelijke combinaties exponentieel toenemen met elke variabele. Het gevolg: de computer blijft maar rekenen.
Combinatorische optimalisatieproblemen komen overal voor: bijvoorbeeld in het bepalen van de optimale verkeersstroom door het optimaliseren van de verkeerslichtregeling. Of in een autofabriek die de meest efficiënte routes voor haar robots wil bepalen. Juist in dit soort gevallen, waar klassieke computers hun grenzen bereiken in combinatorische optimalisatieproblemen, geven kwantumcomputers een nieuwe impuls. Hun werkingsprincipe is fundamenteel anders. Dit biedt de mogelijkheid om nieuwe oplossingen te vinden voor problemen met veel variabelen en exponentieel groeiende mogelijkheden. Naast optimalisatie geldt dit vooral ook voor materiaal- en molecuulonderzoek, wat grote mogelijkheden biedt in de geneeskunde. Maar de technologie brengt ook risico's met zich mee: het zogenaamde "Shor-algoritme" kan de huidige versleutelingsmethoden efficiënt breken. We moeten daarom nu al beginnen na te denken over hoe we onze IT-beveiliging kwantumbestendig kunnen maken.
Hoewel we al decennialang over Quantum Computing praten, wordt het nog niet industrieel gebruikt. Waarom is dat?
Toegegeven, het zal nog enkele jaren duren voordat de technologie klaar is voor gebruik in de praktijk. De kloof tussen de verwachtingen en de reële mogelijkheden die op korte tot middellange termijn kunnen worden gerealiseerd, is enorm. Toch zouden niet alleen wetenschappers, maar ook bedrijven zich al bezig moeten houden met Quantum Computing. Alleen wie de technologie begrijpt en onderzoek doet naar klassieke overbruggingstechnologieën kan de kansen die Quantum Computing biedt in een vroeg stadium categoriseren en benutten. Quantum Computing vereist een nieuwe manier van denken. Dat vergt oefening. We hanteren een pragmatische aanpak: kwantum-geïnspireerde optimalisatie maakt het nu al mogelijk om de invoermodellen voor kwantumalgoritmen te gebruiken en bestaande problemen op te lossen met conventionele, schaalbare chips.
Onze klanten kunnen zich vandaag al voorbereiden op de methoden van Quantum Computing en onafhankelijk blijven van de daadwerkelijke hardwareontwikkelingen.
Teo Körner, Research and Development Engineer bij T-Systems
Onze oplossing is nog geen "echte" kwantumtechnologie; de computer werkt niet in een kwantumtoestand. Hoe gaan we te werk? Ter voorbereiding op de kwantum-geïnspireerde methode vertalen we het optimalisatieprobleem naar een wiskundige formulering genaamd "QUBO" (Quadratic Unconstrained Binary Optimisation). Deze QUBO-modellen kunnen zeer complexe problemen aan, zelfs op conventionele computers. Deze modellen hoeven ook niet meer aangepast te worden als ze later gebruikt moeten worden als input voor echte kwantumalgoritmen. Veel complexe problemen kunnen in QUBO-vorm worden gegoten. En wie zich met QUBO bezighoudt, weet later wat belangrijk is bij het voorbereiden van de algoritmen of in de fase van modelontwikkeling.
Bij tests in onze mobiele netwerkplanning werkte de brugtechnologie tot wel 37 keer sneller dan conventionele methoden. Bij mobiele netwerkplanning worden onze specialisten geconfronteerd met de vraag waar we een nieuwe zendmast kunnen plaatsen, of en waar de zendmast zal interfereren met een naburig basisstation, onder welke hoek de antennes ten opzichte van elkaar moeten worden uitgelijnd en vele andere vragen. Een perfect geschikt combinatorisch optimalisatiemodel met exponentieel groeiende mogelijkheden: je bent letterlijk op zoek naar "een naald in een hooiberg". We hebben het op kwantum geïnspireerde optimalisatieproces vergeleken met het bestaande planningsmodel. De op kwantum geïnspireerde technologie duurde slechts tien minuten in plaats van zes uur. De werkelijke kracht van de oplossing kwam bij deze testcase niet eens volledig tot uiting: dit komt omdat de oplossing bijzonder geschikt is voor dynamische optimalisatieproblemen en excelleert wanneer de omstandigheden snel veranderen.
