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Innovation gestalten: Quantencomputing: Qubits für Banken

Diese Innovation hat das Zeug, die Welt grundlegend zu verändern: Google, IBM und Forschungsnetzwerke in Europa arbeiten mit Hochdruck an der Entwicklung von Quantencomputern. Die Technologie steht vor der Marktreife und eröffnet auch für das Banking vollkommen neue Möglichkeiten. Um das Potenzial der Quantentechnologie rechtzeitig nutzen zu können, baut Atruvia in seinem Innovation Hub bereits heute das nötige Wissen auf.

Martin Hofheinz, Innovationsmanager bei Atruvia

Die Räume des Innovation Hub in München sind noch verwaist. Doch die pandemiebedingte Verlegung der Arbeit ins Homeoffice hielt Martin Hofheinz nicht davon ab, in neue Sphären vorzudringen. Er ist Innovationsmanager im Bereich Trends & Research bei Atruvia und beschäftigt sich intensiv mit globalen Trends. Im Innovation Hub experimentiert er mit neuen Technologien, um das Unternehmen auf die Zukunft vorzubereiten – und damit auch auf die Nutzung von Quantencomputern. Dazu initiierte Hofheinz im Mai 2021 ein Testprojekt mit IBM. In diesem Rahmen setzen er und sieben Mitarbeitende von Atruvia, DZ-Bank und parcIT sich mit der Programmierung von Quantenrechnern auseinander und analysierten, wie Banken sie in Zukunft nutzen könnten.

Chancen für Banken

Drei Minuten und 20 Sekunden brauchte der Quantenprozessor „Sycamore“ von Google, um den Algorithmus einer zufällig erzeugten Zahlenreihe zu beweisen – 10.000 Jahre hätte dieser Beweis bei einem klassischen Computer gedauert. Durch diese Quantenüberlegenheit (Quantum Supremacy) lassen sich zum Beispiel in kürzester Zeit optimale Lieferrouten berechnen, die Spritverbrauch, Verkehrslage und Auslieferungspunkte berücksichtigen. In der Pharmazie ließen sich Wirkungssimulationen effizienter durchführen. Auch ein Einsatz zur Vermeidung von Geldwäsche und zur Optimierung der Cybersicherheit ist denkbar. Denn Quantencomputer sind besser als bisherige Rechner in der Lage, Abweichungen in Prozessen und Algorithmen zu erkennen und damit auch Angriffe auf IT-Systeme. So lassen sich schneller Gegenmaßnahmen einleiten.

Im Finanzbereich eignen sich Quantenrechner unter anderem für schnelle und bessere Modelle zur Portfolio-Optimierung, für das Risikomanagement und zur Anlagebewertung. Auch Produktempfehlungen ließen sich noch weiter personalisieren. Dass solche Services in Zukunft für den Erfolg von Banken entscheidend sind, belegt auch der aktuelle Consumer Banking Report. Ein leistungsfähiger Quantencomputer könnte maßgeblich zur schnellen Erstellung passender Angebote beitragen, da er beispielsweise eine Million Kreditassets in Echtzeit berechnet. So ließen sich Risiken schon im Verkaufsprozess einschätzen. Und das ist nicht alles. Das Kreditrisiko berechnet ein Quantencomputer nicht nur auf Basis von Vergleichswerten, sondern anhand individueller Daten der Kreditnehmenden. Dabei können viele Faktoren berücksichtigt werden, die heute noch nicht zur Verfügung stehen, beispielsweise Prognosen politischer und wirtschaftlicher Entwicklungen (predictive analytics). Das macht dieses System besonders für die Steuerungsbank interessant. Trotzdem würden, so Martin Hofheinz, Quantenrechner die klassischen Computer nicht ersetzen, sondern lediglich ergänzen.

„Überall dort, wo lineare oder Stapelverarbeitung mit immer gleichen Abläufen gefragt ist, hat aus heutiger Sicht der Quantencomputer keinen Vorteil. Aber wo exponentiell viele Möglichkeiten vorkommen, da liegt sein Potenzial.“
Martin Hofheinz, Innovationsmanager bei Atruvia

Schon jetzt weiterdenken

Die exponentiell schnellere Datenverarbeitung durch Quantencomputer ermöglicht nicht nur eine deutliche Verbesserung der Cybersicherheit. Sie bietet auch Cyberkriminellen die Möglichkeit, zum Beispiel Passwörter, elektronische Schlüssel und gespeicherte Daten in wesentlich kürzerer Zeit zu „knacken“ – Verschlüsselungen, die von heutigen Computern allenfalls in Monaten oder Jahren entschlüsselt werden könnten. Daher setzt die Finanzbranche bereits auf sogenannte Post-Quanten-Verfahren, die künftigen kryptografischen Anforderungen gewachsen sind. An solchen quantenresistenten Verfahren wird noch geforscht – auch bei Atruvia im Rahmen des BMWi-geförderten Forschungsprojekts „QuantumLeap“ mit dem FZI Forschungszentrum Informatik.

Die Forschungen zur Quantenresistenz sind erfolgversprechend, und so geht Martin Hofheinz davon aus, dass mit den Quantencomputern auch sichere Verschlüsselungsverfahren zur Verfügung stehen werden. Durch „Nachahmung“ von Quanteneffekten gibt es bereits Quantum-Simulatoren und Quantenlösungen, die auf klassischen Rechnern laufen – sogenannte quanteninspirierte Algorithmen. Damit lassen sich Vorteile aus dem Quantencomputing schon heute nutzen – vorausgesetzt, Personal mit entsprechenden Fähigkeiten steht bereit, um die Quantenrechner bzw. die Algorithmen dafür zu programmieren. Genau dort setzt das Testprojekt im Atruvia Innovation Hub an: die Mitarbeitenden entsprechend vorzubereiten.

„Im Moment sucht die Technik noch den Anwendungsfall, aber das wird sich schnell umkehren. Dann brauchen wir das richtige Know-how. Deshalb ist es wichtig, sich heute schon mit Quantum Computing zu beschäftigen.
Martin Hofheinz, Innovationsmanager bei Atruvia

Qubit schlägt Bit

Herkömmliche Computer arbeiten mit Bits, die zwischen 0 und 1 unterscheiden. Bei Quantenrechnern heißt die kleinste Informationseinheit Qubit, abgeleitet von Quantenbit. Im Gegensatz zu Bits sind Qubits dreidimensional. Sie können mehrere Zustände gleichzeitig einnehmen, einfach ausgedrückt zum Beispiel „fast ganz 0 und nur ein bisschen 1“, „hälftig 0 und 1“, „exakt 0“ usw. Die Rechenleistung von Quantencomputern ist nicht linear wie bei bisherigen Rechnern. Sie verdoppelt sich mit jedem Qubit, was die Berechnungszeit enorm verringert. Damit übertreffen sie auch die Leistungsfähigkeit gängiger Supercomputer.

Allerdings sind Qubits sehr sensibel. Daher arbeiten Quantencomputer mit Stickstoffkühlung, wie der von IBM, mit Temperaturen um den absoluten Nullpunkt: minus 273 Grad. Andere Systeme halten die Qubits in einer Ionenfalle mittels elektrischer und magnetischer Felder fest. Denn Erschütterungen können zu falschen Ergebnissen führen. Solche Werte lassen sich später ausschließen, da die Aufgaben dank der höheren Rechenleistung in kurzer Zeit mehrmals durchgerechnet werden können. Nur so kommen Quantenrechner trotzdem auf präzisere Ergebnisse und genauere Vorausberechnungen als bisherige Computer.

Sprung in die Zukunft

Um für die anfälligen Qubits optimale Bedingungen zu schaffen, sind Quantencomputer extrem kompliziert und aufwändig aufgebaut. Deshalb finden sie bisher nur vereinzelt Anwendung. IBM ermöglicht registrierten Benutzer*innen bereits seit einigen Jahren über die Cloud einen Zugriff auf Quantum-Simulatoren. Darüber lassen sich Algorithmen testen, Simulationen proben oder andere Experimente durchführen. Dieses Jahr präsentierte IBM dann zusammen mit der Fraunhofer-Gesellschaft in Ehningen den ersten kommerziellen Quantencomputer in Europa. Er ist drei Meter hoch und hat eine Grundfläche von drei mal drei Metern. Doch die Technologie selbst befindet sich noch in der Grundlagenforschung und ist sehr fehleranfällig. Schon geringfügige Schwankungen stören die sensiblen Qubits, und die Speicher konnten bisher nur für einstellige Sekundenbereiche stabil gehalten werden. Daher werden unterschiedliche Ansätze zur Realisierung von Quantenrechnern erforscht.

Die Bundesregierung unterstützt diese Forschungen: Im Rahmen des Förderprogramms „Roadmap Quantencomputing“ stellt sie für die Entwicklung über zwei Milliarden Euro zur Verfügung. Zwei Quantencomputer sind bis spätestens 2023 geplant, technisch auf dem Niveau der Rechner von IBM und Google. Daneben startet eine Initiative im Forschungszentrum Jülich dieses Jahr die erste von drei Ausbaustufen für einen Quantencomputer aus europäischer Produktion. Er wird als erster Rechner dieser Art keinerlei Komponenten von US-Unternehmen beinhalten. Einen anderen Ansatz verfolgt die Universität Innsbruck: Sie arbeitet an einem kompakten Ionenfallen-Quantencomputer, der in üblichen Rechenzentren Platz findet. Er ist nicht ganz so leistungsfähig wie die der Big Techs, aber nur doppelt so groß wie ein herkömmlicher Server.

Eine neue Art der Programmierung

Während klassische Computer Ergebnisse linear berechnen, versuchen Quantencomputer sich dem Optimum zu nähern. Diese Art der Berechnung erforscht das Testprojekt im Atruvia Innovation Hub und steht damit vor einer großen Herausforderung. Denn erste Erfahrungen in der Programmierung zu sammeln, ist nicht einfach. Eine belastbare Programmierumgebung gibt es noch nicht, und die finanzmathematischen Algorithmen müssen großenteils erst noch entwickelt werden.

Die Arbeit daran läuft bereits, genauso wie an einem passenden Betriebssystem. Wenn hier ein Durchbruch gelingt, müssen die spezifischen Algorithmen nicht mehr selbst programmiert werden. Nach jetzigem Stand wird das Ende 2023 der Fall sein. Dann ist die „Quantum Readiness“ erreicht. Deshalb treibt Martin Hofheinz das Projekt bei Atruvia weiter voran: „In einigen Jahren werden unsere Programmierer*innen auch über die Algorithmen sehr gut mit den Quantencomputern arbeiten können.“

Noch machen die Kosten dieses System unerschwinglich: Ein Qubit liegt bei mindestens 10.000 Dollar. Aber Amazon, Google und IBM arbeiten mit großem Einsatz an der Serienreife. Unklar ist, ob die Computer in Rechenzentren stehen oder eher „as a service“ genutzt werden. Doch eins ist für Martin Hofheinz sicher: „Im Zusammenspiel mit Künstlicher Intelligenz, Mixed Reality, 5G und Automatisierung werden Quantencomputer unser Leben mindestens so stark verändern, wie es Ende der 1990er-Jahre das Internet getan hat. Atruvia wird darauf vorbereitet sein und die Quantum Computer gezielt nutzen, um Banking noch besser zu machen.“