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Wie wirkt sich Quantencomputing auf die Nachhaltigkeit aus?
Quantencomputing stellt aufgrund seiner Infrastruktur besondere Herausforderungen im Hinblick auf Nachhaltigkeit dar, bietet aber auch potenzielle Effizienzgewinne.
Quantencomputing gilt seit langem als bahnbrechende Technologie, die komplexe Probleme lösen kann, mit denen klassische Computersysteme noch kämpfen. Nun, da Führungskräfte in Unternehmen beginnen, das Potenzial der Quantencomputer zu bewerten, rückt neben Leistung und Kosten auch Nachhaltigkeit als neues Thema in den Vordergrund.
Diese Diskussion findet zu einer Zeit statt, in der IT-Verantwortliche bereits unter dem Druck stehen, den Energieverbrauch zu senken, die Energieeffizienz von Rechenzentren zu verbessern und Technologieinvestitionen an Umweltzielen auszurichten. Der zunehmende Einsatz von KI hat die kritische Betrachtung rechenintensiver Workloads verschärft. Quantencomputing hält nun Einzug in diese Diskussion – sowohl als potenzielle Lösung als auch als neue Quelle von Umweltauswirkungen.
Die Realität ist differenzierter, als frühe Darstellungen vermuten lassen. Quantensysteme stellen grundlegend andere Anforderungen an die Infrastruktur, von der kryogenen Kühlung bis hin zu spezialisierten Einrichtungen. Gleichzeitig argumentieren Befürworter, dass Quantencomputing die Effizienz bei bestimmten Problemklassen dramatisch verbessern kann, insbesondere bei solchen, die mit Energiesystemen, Logistik und Materialwissenschaften zusammenhängen.
Für CIOs, CTOs und Nachhaltigkeitsverantwortliche besteht die Herausforderung darin, kurzfristige Realitäten von langfristigen Versprechungen zu trennen und zu verstehen, wie die Nachhaltigkeit des Quantencomputings in umfassendere Unternehmensstrategien passt.
Den ökologischen Fußabdruck des Quantencomputings verstehen
Die ökologischen Auswirkungen des Quantencomputings gehen auf ein grundlegendes Missverständnis darüber zurück, wie die Technologie funktioniert.
„Die Leute denken, ein Quantencomputer sei einfach nur eine leistungsstärkere Version eines klassischen Computers“, sagt Yuval Baum, Vice President für Quantencomputing-Forschung bei Q-CTRL. „Das ist eine völlig falsche Vorstellung. Es handelt sich um ein anderes Rechenparadigma.“
Diese Unterscheidung ist entscheidend, wenn es darum geht, den Energieverbrauch des Quantencomputings zu bewerten. Im Gegensatz zu klassischen Systemen, die durch massive Parallelisierung skalieren, werden Quantencomputer voraussichtlich zentralisiert und spezialisiert bleiben. Das verändert sowohl die Art und Weise, wie Energie genutzt wird, als auch, wo Umweltkosten entstehen.
In vielen aktuellen Quantensystemen, insbesondere solchen, die auf supraleitenden Qubits basieren, ist nicht die Rechenleistung selbst der Hauptgrund für den Energieverbrauch. Stattdessen stammt ein erheblicher Teil aus der Infrastruktur, die erforderlich ist, um extrem niedrige Temperaturen aufrechtzuerhalten.
„Bei Quantencomputern stammt ein Großteil der verbrauchten Energie aus der kryogenen Infrastruktur, die erforderlich ist, um das System auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt zu halten“, sagt Stanislav Kazanov, Leiter der Bereiche Governance, Risiko und Compliance, Cybersicherheit sowie Nachhaltigkeit und Leiter des Bereichs Daten bei Innowise.
Die Anforderungen an die Kühlung bringen zusätzliche Aspekte mit sich, die über den Stromverbrauch hinausgehen. Diese Systeme basieren oft auf komplexen Kühltechnologien und können den Einsatz von Wasser sowie spezieller Materialien erfordern. Zudem benötigen sie streng kontrollierte Umgebungen, einschließlich elektromagnetischer Abschirmung und Schwingungsisolierung, was die Komplexität der Anlagen weiter erhöht.
Die Kühlung ist laut Baum in kleinerem Maßstab noch überschaubar, wird jedoch mit zunehmender Größe der Systeme zu einer Herausforderung.
„Die Herausforderung entsteht, wenn man wirklich skalieren muss“, sagt er. „Ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung einer guten Architektur ist es, sicherzustellen, dass die Teile, die gekühlt werden müssen, auf ein Minimum beschränkt sind.“
Infrastrukturunterschiede bedeuten zudem, dass Quantensysteme nicht einfach in bestehende Umgebungen integriert werden können.
„Quanteninfrastrukturen werden stark lokalisiert sein und sich in ihrer Konfiguration stark von herkömmlichen Rechenzentren unterscheiden; sie lassen sich nicht in bestehende Racks nachrüsten“, sagt Kazanov.
Das stellt die IT-Teams in Unternehmen vor Integrationsherausforderungen. Quantensysteme arbeiten auf anderen Zeitskalen und nutzen andere Ein- und Ausgabemodelle als klassische Hardware.
„Quantencomputer sind eine ganz andere Sache“, sagt Baum. „Wenn man einen Quantencomputer nimmt und versucht, ihn in ein beliebiges HPC-Rechenzentrum [High-Performance Computing] zu integrieren, ist das keine triviale Aufgabe.“
Trotz dieser Herausforderungen argumentieren einige Experten, dass Quantencomputing den Gesamtrechenbedarf für bestimmte Workloads senken kann. Der Schlüssel liegt laut Curtis Nybo, Direktor für KI und Quantencomputing bei CGI, nicht allein in der Hardware, sondern darin, wie sie eingesetzt wird.
„Wenn Quantencomputing ins Spiel kommt, können bestimmte Probleme in einem Bruchteil der Zeit gelöst werden“, sagt Nybo. „Das kann die Auslastung von Rechenzentren entlasten, selbst wenn Quantencomputing nur ein Teil des gesamten Workloads ist.“
Kann Quantencomputing Nachhaltigkeit unterstützen?
Während die Infrastruktur Bedenken aufwirft, hat Quantencomputing auch das Potenzial, Nachhaltigkeitsinitiativen zu unterstützen. Mehrere Anwendungsfälle finden bei Unternehmen und Forschern zunehmend Beachtung.
Kohlenstoffabscheidung und Materialinnovation
Quantencomputing kann die Art und Weise verändern, wie Unternehmen Materialien für Energiesysteme entwickeln.
„Die Materialforschung ist heute ein riesiger Trial-and-Error-Prozess, der Jahrzehnte dauern kann“, sagt Baum. „Mit Quantencomputern werden wir in der Lage sein, einen wesentlich präziseren Materialentwicklungsprozess zu gestalten.“
Diese Fähigkeit kann zu effizienteren Solarzellen, langlebigeren Batterien und verbesserten Technologien zur CO2-Abscheidung führen. Selbst schrittweise Fortschritte in diesen Bereichen kann in großem Maßstab messbare Auswirkungen auf die Umwelt haben.
Optimierung des Stromnetzes und Integration erneuerbarer Energien
Quantensysteme eignen sich besonders gut für komplexe Optimierungsprobleme, wie sie in der Energieverteilung häufig vorkommen.
„Wenn man Fahrzeuge optimal routen oder Stromnetze ausgleichen kann, lässt sich Kraftstoff sparen und Verschwendung reduzieren“, sagt Nybo. „Viele Nachhaltigkeitsprobleme sind komplexe Probleme mit zu vielen Einschränkungen für herkömmliche Systeme.“
Baum weist auf Logistik und Terminplanung als kurzfristige Chancen hin. Selbst kleine Effizienzsteigerungen können zu erheblichen Emissionsminderungen führen, wenn sie weltweit umgesetzt werden.
„Wenn man nur zu 95 Prozent optimal ist, bedeuten die verbleibenden 5 Prozent eine enorme Verschwendung von Energie und Ressourcen“, sagt er.
Klimamodellierung und -vorhersage
Quantencomputing kann auch die Klimamodellierung verbessern, da es detailliertere Simulationen komplexer Systeme ermöglicht. Diese Fähigkeit befindet sich zwar noch in den Anfängen, kann aber die Vorhersagen verbessern und politische Entscheidungen unterstützen.
„Quantensysteme eignen sich gut dafür, reale Dynamiken nachzubilden“, sagt Kasanov. „Quantencomputer sind bei der Simulation der realen Welt viel besser als herkömmliche Computer.“
KI-Effizienz und Datenverarbeitung
Eine weitere potenzielle Anwendung liegt in der Verbesserung von KI-Workloads, die derzeit energieintensiv sind.
„Es gibt Stellen in der KI-Pipeline, an denen Quantenbeschleuniger Zeit oder Energie einsparen können“, sagt Baum. „Schon eine Energieeinsparung von 10 bis 20 Prozent hat enorme Auswirkungen.“
Viele dieser Anwendungsfälle befinden sich jedoch noch in einem frühen Stadium. Unternehmen prüfen derzeit laut Nybo noch, in welchen Bereichen die Quantentechnologie einen sinnvollen Mehrwert bietet.
„Viele Unternehmen gehen dies aus einer Forschungsperspektive an“, sagt er. „Sie identifizieren Anwendungsfälle und bereiten ihre Daten vor, um von den Vorteilen profitieren zu können, sobald die Technologie ausgereift ist.“
Ein umweltbewusstes Framework für Quantencomputing erstellen
Angesichts des wachsenden Interesses müssen Unternehmen einen strukturierten Ansatz zur Bewertung der Nachhaltigkeit des Quantencomputings verfolgen. Das beginnt mit dem Verständnis der Auswirkungen der Technologie über den gesamten Lebenszyklus hinweg.
Produktionsphase
Quantenhardware basiert auf spezialisierten Komponenten und Materialien, von denen einige seltene oder ressourcenintensive Rohstoffe erfordern können. Fertigungsprozesse und Lieferketten tragen zum gesamten CO2-Fußabdruck bei, auch wenn die Datenlage in dieser Phase noch begrenzt ist.
Betriebsphase
Zu den Auswirkungen auf den Betrieb zählen Energieverbrauch, Kühlbedarf und die Infrastruktur der Anlagen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Rechenzentren verlagert sich bei Quantensystemen der Energiebedarf eher auf die Kühlung als auf die Rechenleistung.
„Herkömmliche Kennzahlen wie die Energieeffizienz sind bei der Bewertung von Quantencomputing nicht aussagekräftig“, sagt Kazanov. „Wir brauchen neue Methoden, um die mit der Ausführung eines Quantenschaltkreises verbundenen CO2-Kosten zu erfassen.“
Anwendungsphase
Der Nutzen des Quantencomputings muss anhand seiner Ergebnisse gemessen werden. Unternehmen sollten bewerten, ob ein bestimmter Anwendungsfall zu einer Netto-Reduzierung der Emissionen führt.
„CIOs müssen die CO2-Kosten für den Betrieb von Quanten-Workloads gegen die durch das Ergebnis erzielten Netto-Emissionsreduktionen abwägen“, sagt Kazanov.
Diese Bewertung beginnt laut Nybo oft mit Proof-of-Concept-Arbeiten. „Man baut das System auf und experimentiert damit, um es dann mit einer klassischen Baseline zu vergleichen und zu sehen, ob man tatsächlich einen Nutzen erzielt“, erklärt er.
End-of-Life-Phase
Zu den Überlegungen im Zusammenhang mit dem Ende der Lebensdauer gehören das Recycling und die Entsorgung spezieller Komponenten. Mit zunehmender Reife der Technologie werden Praktiken der Kreislaufwirtschaft immer wichtiger.
Weitere Überlegungen
Über die Überlegungen zum Lebenszyklus hinaus müssen Unternehmen mehrere weiterreichende Herausforderungen angehen.
Fehlen standardisierter Kennzahlen
Derzeit gibt es keine einheitliche Methode zur Messung des Energieverbrauchs oder der Umweltauswirkungen des Quantencomputings.
Die Entwicklung standardisierter Kennzahlen wird für das Benchmarking und die Entscheidungsfindung von entscheidender Bedeutung sein. Einige Experten haben neue Ansätze vorgeschlagen, wie beispielsweise die Messung der CO2-Kosten pro Quantenschaltung statt pro Anlage.
Integration in nachhaltige IT-Strategien
Quantencomputing wird klassische Systeme nicht ersetzen, sondern ergänzen. Das bedeutet, dass Nachhaltigkeitsbemühungen hybride Arbeitsabläufe berücksichtigen müssen.
„Es wird nicht nur um Quantencomputing gehen“, sagt Nybo. „Es muss als Teil eines Gesamtarbeitsablaufs direkt mit klassischen Systemen zusammenarbeiten.“
CO2-Äquivalenz und ROI
Unternehmen sollten die CO2-Auswirkungen von Quanten-Workloads im Verhältnis zu deren Ergebnissen quantifizieren. Dazu gehört der Vergleich des Energieverbrauchs mit den durch Optimierung oder Simulation erzielten Einsparungen.
„Für CIOs läuft es immer auf eine Nutzenanalyse hinaus“, sagte Nybo. „Man betrachtet Kosteneinsparungen, Effizienzgewinne und die Gesamtauswirkungen auf das Unternehmen.“
Benchmarking und Governance
Mit zunehmender Verbreitung müssen sich auch die Governance-Rahmenbedingungen weiterentwickeln. Dazu gehört die Einbeziehung von Umwelttransparenz in Lieferantenvereinbarungen, insbesondere bei Quantendiensten, die über Cloud-Anbieter bereitgestellt werden.
Unternehmen sollten nach Angaben von Kasanov bei der Bewertung von Anbietern auch indirekte Emissionen berücksichtigen. „IT-Abteilungen müssen Umwelttransparenz in Service Level Agreements einbeziehen, einschließlich der Emissionen der Scope-2- und Scope-3-Kategorien“, sagt er.
Chancen und Verantwortung in Einklang bringen
Quantencomputing ist nach wie vor eine aufstrebende Technologie, doch ihre Auswirkungen auf die Nachhaltigkeit prägen bereits jetzt die Herangehensweise der Unternehmen. Zwar geben die Anforderungen an die Infrastruktur Anlass zu berechtigten Bedenken, doch bietet die Fähigkeit des Quantencomputings, komplexe Optimierungs- und Simulationsprobleme zu lösen, ein bedeutendes Potenzial.
Die langfristigen Aussichten sind laut Baum positiv. „Die Gewinne sind exponentiell, während der Energieverbrauch linear steigt“, sagt er.
Kurzfristig müssen Unternehmen jedoch einen besonnenen Ansatz verfolgen. Das bedeutet, sich auf praktische Anwendungsfälle zu konzentrieren, internes Fachwissen aufzubauen und Rahmenbedingungen zur Bewertung der Umweltauswirkungen zu entwickeln.
Für IT-Führungskräfte stellt sich nicht die Frage, ob Quantencomputing die Nachhaltigkeitsbemühungen beeinflussen wird. Es geht vielmehr darum, wie man es verantwortungsbewusst einsetzt und dabei Innovation mit Umweltzielen in Einklang bringt.
Dieser Artikel ist im Original in englischer Sprache auf Sustainability and ESG erschienen.
