Digital Health Lexikon -

Quantum Computing (in Healthcare)

Ein Quant ist eine kleinste physikalische Einheit ─ sie wird durch eine Welle beschrieben. Alles besteht aus solchen Quanten! Solange wir Quanten nicht beobachten ─ bzw. Messungen an ihnen durchführen ─ existieren sie in einem eigenen Kosmos in dem sie widersprüchliche Eigenschaften gleichzeitig haben, was in „unserer Welt“ nicht möglich ist. Diese besonderen Eigenschaften kann man auch für Computer ausnutzen die eine enorme Steigerung der Rechenleistung versprechen.

1. Synonyme:

-

2. Kurzhistorie:

Die Idee mit Quanten rechnen zu können wurde schon in den 80er Jahren von den Physikern R. Feynman und D. Deutsch entwickelt. Deutsch hatte sogar die Idee, dass unser Universum ein gigantischer Quantencomputer sein könnte. In den 1990er Jahren wurden erste Realisierungen vorgenommen. Aber erst ab 2001 gab es ernstzunehmende Erfolge. IBM bietet seit 2016 an, über das Internet auf einem eigenen Quantencomputer mit 20 Qubits, Rechnungen auszuführen. 2019 hat Google mit einem 53-Qubit-Quantencomputer Rechnungen durchgeführt, die eine Überlegenheit von 10.000 Jahren (klassisch) zu 200 Sekunden (Quantencomputer) unter Beweis stellen sollen.

3. Ziel:

Die größte technisch, physikalische Herausforderung ist heute ein Quantensystem zu schaffen, dass aus vielen verschränkten Quanten besteht und lange genug kohärent ist, um damit Rechnen zu können. Um die Einflüsse der Umwelt zu minimieren, werden die Quantenprozessoren nahe am absoluten Temperatur-Nullpunkt betrieben. Da trotzdem noch viele Fehler auftreten können, werden Fehlerkorrekturen angewandt, um die Rechnungen valide zu machen. Ziel ist es, bei Raumtemperatur fehlerfrei rechnen zu können.

Man erwartet, dass durch die absolute Parallelität der Berechnungen viele heutige Probleme in Technik, Medizin und Wissenschaft sehr viel schneller berechenbar werden. Beispielsweise auch die Entschlüsselung von Informationen, die heute noch als sicher gelten. Der Aspekt der schnellen Entschlüsselung vertraulicher Daten kann auch dazu führen, dass viele heutige Konzepte der Datensicherheit neu justiert werden müssen. Dabei kann helfen, dass die Quantenphysik auch neue Möglichkeiten der Kryptografie eröffnet, die sogenannte Quantenkryptografie.

4. Wesentliche Merkmale:

In unserer digitalen Welt werden den beiden Ziffern 0 und 1 jeweils zwei unterschiedliche physikalische Eigenschaften zugeordnet (z.B. Spannung hoch/niedrig). Auf dieser Basis rechnen unsere heutigen Computer. Ähnlich kann man mit Quanten verfahren. Man ordnet zwei unterschiedlichen Zuständen die Ziffern 0 und 1 zu. Anders als bei heutigen Computern haben diese Quanten in „ihrem Quantenkosmos“ aber beide Werte ─ 0 und 1 ─ gleichzeitig. Man nennt sie deshalb zur Unterscheidung mit den heutigen Bits „Qubits“.

Quanten kann man so miteinander verbinden (verschränken), dass sie eine gemeinsame Welle bilden. Diese Welle hat dann im „Quantenkosmos“ alle ihr möglichen Zustände gleichzeitig. Verbindet man z.B. drei Quanten miteinander, so haben diese alle möglichen Werte (23 = 8) gleichzeitig: 0, 1, 2 . . 7.

Quantenzustände sind jedoch sehr fragil, das heißt dass sie sehr schnell zerfallen und nur einen der möglichen Zustände annehmen. Man nennt das den Kollaps der Wellenfunktion oder auch Dekohärenz. Nur solange die Welle noch kohärent ist, also im „Quantenkosmos“ existiert, kann man mit den Qubits rechnen.

5. Wesentliche Einsatzgebiete:

  • Verarbeitung großer Datenmengen mit Quantencomputer [1].
  • Mit einem sog. Adiabatischer Quantencomputer wurde 2014 eine Optimierung der intensitätsmodulierten Strahlentherapie (IMRT) getestet [2].
  • Medizinische Signalverarbeitung [3]: Ein rückgekoppeltes quantenneuronales Netzwerk wurde benutzt, um die Trennbarkeit von Elektroenzephalogramm-(EEG)-Signalen zu erhöhen.
  • Quantensensoren und Quantenmikroskopie [4].
  • Die Blockchain-Technologie [5] soll zur Erhöhung der Datensicherheit zum Einsatz kommen. Quantencomputer könnten diese Sicherheitssysteme aushebeln, deshalb wird untersucht, in wie weit die Quantenkryptografie dieses Problem lösen kann.
  • Künstliche Intelligenz zur Diagnoseunterstützung mit Quantencomputern.

[1] Journal of Big Data (2019) 6:54, Dash et al: „Big data in healthcare: management,analysis and future prospects“

[2] Nazareth D.P. & Spaans J.D. (2015) First application of quantum annealing to IMRT beamlet intensity optimization. Phys Med Biol. 2015;60(10):4137–48.

[3] Gandhi V. et al. (2014) Quantum neural network-based EEG filtering for a brain-computer interface. IEEE Trans Neural Netw Learn Syst. 2014;25(2):278–88

[4] Reardon S. (2017) Quantum microscope offers MRI for molecules. Nature. 2017;543(7644):162.

[5] Pütz M. (2020) Definition Blockchain. In: Matusiewicz D. & Kusch C. (Hrsg.) Digital Health Lexikon, Health&Care Management, URL: hcm-magazin.de, Holzmann Medien, 2020.

6. Unterscheidung von ähnlichen Begriffen:

-

DHL_Prof.Dr.Dieter-Hannemann

Autor:

Prof. Dr. Dieter Hannemann
Westfälische Hochschule

Prof@DieterHannemann.de

Hannemann D. (2020) Quantum Computing (in Healthcare) In: Matusiewicz D. Kusch C. (Hrsg.) Digital Health Lexikon, Health&Care Management, URL: hcm-magazin.de, Holzmann Medien, 2020.

© hcm-magazin.de 2020 - Alle Rechte vorbehalten
Kommentare
Bitte melden Sie sich an, um Ihren Kommentar angeben zu können.
Login

* Pflichtfelder bitte ausfüllen