Abstract Im Bausektor ist die präzise Preisvorhersage für gebrauchte Baumaschinen entscheidend, um den Wert von Maschinenbeständen optimal zu nutzen und die Rentabilität zu maximieren. Maschinelles Lernen (ML) bietet eine vielversprechende Lösung, indem es große Datenmengen analysiert und zukünftige Preisentwicklungen prognostiziert. Neuere Entwicklungen im Bereich des Quantencomputing (QC) und des Quanten-Maschinellen-Lernen (QML) versprechen weitere Fortschritte in der Genauigkeit und Effizienz von Vorhersagen. Dieser Artikel untersucht die Methodik und die potenziellen Vorteile quantenbasierter Modelle im Vergleich zu klassischen ML-Verfahren und beleuchtet die Rolle von Support-Vektor-Maschinen (SVM) und Quanten-Support-Vektor-Maschinen (QSVM).
Abstract Im Bausektor ist die präzise Preisvorhersage für gebrauchte Baumaschinen entscheidend, um den Wert von Maschinenbeständen optimal zu nutzen und die Rentabilität zu maximieren. Maschinelles Lernen (ML) bietet eine vielversprechende Lösung, indem es große Datenmengen analysiert und zukünftige Preisentwicklungen prognostiziert. Neuere Entwicklungen im Bereich des Quantencomputing (QC) und des Quanten-Maschinellen-Lernen (QML) versprechen weitere Fortschritte in der Genauigkeit und Effizienz von Vorhersagen. Dieser Artikel untersucht die Methodik und die potenziellen Vorteile quantenbasierter Modelle im Vergleich zu klassischen ML-Verfahren und beleuchtet die Rolle von Support-Vektor-Maschinen (SVM) und Quanten-Support-Vektor-Maschinen (QSVM).
Neurologische Erkrankungen gehören weltweit zu den häufigsten Ursachen für Behinderungen und Tod. Laut dem Globalen Statusbericht der Neurologie der WHO sind mehr als 40 Prozent der Weltbevölkerung von neurologischen Erkrankungen betroffen. Um dieser wachsenden Belastung zu begegnen, sind effizientere Datenverarbeitungssysteme und eine verbesserte Überwachung erforderlich, um evidenzbasierte Entscheidungsfindung und Rechenschaftspflicht im Gesundheitswesen zu ermöglichen. Gleichzeitig eröffnen Fortschritte an der Schnittstelle von Quantencomputing und Gesundheitswesen neue Möglichkeiten für medizinische Technologien. Quantenphysikalische Prinzipien werden genutzt, um diagnostische Werkzeuge, Therapieplanung und Patientenversorgung durch höhere Recheneffizienz und Präzision zu verbessern. Klassische Machine-Learning-Modelle stoßen bei hochdimensionalen und komplexen medizinischen Datensätzen, insbesondere im Bereich der Neurologie, häufig an ihre Grenzen. Diese Herausforderung hat das Interesse an Quantum Machine Learning geweckt, das potenziell Vorteile bei der Verarbeitung und Analyse solcher Daten bietet und in bestimmten Anwendungen klassische Methoden übertreffen könnte. In dieser Studie werden klassische Machine-Learning-Klassifikatoren mit Quantum-Machine-Learning-Klassifikatoren, mit Fokus auf Klassifikation neurologischer Erkrankungen, verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass Quantenmodelle weiter verfeinert und problemspezifisch angepasst werden müssen, um konkurrenzfähig zu sein. Obwohl frühere Studien mögliche Vorteile nahelegen, sind maßgeschneiderte Quantenalgorithmen und weitere Forschung erforderlich, um das Potenzial des Quantencomputings in der Medizin vollständig auszuschöpfen.
Quantencomputing hat in jüngster Zeit aufgrund seiner potenziellen Vorteile gegenüber klassischer Berechnung in bestimmten Anwendungsbereichen zunehmend an Interesse gewonnen. Eine zentrale Anwendung ist das Quantenmaschinelle Lernen (QML), das darauf abzielt, quantenmechanische Prinzipien zu nutzen, um klassische Methoden in ausgewählten Aufgaben zu übertreffen. Motiviert durch ein Klassifikationsproblem in der Suche nach neuer Physik, insbesondere dem Top-Tagging, untersucht diese Arbeit die Leistungsfähigkeit von QML im Bereich der Hochenergiephysik (HEP). Der Datensatz wird als Jet-Bilder dargestellt, wobei Jets kollimierten Gruppen detektierter Teilchen entsprechen. Während klassische Convolutional Neural Networks (CNNs) für diese Aufgabe effektiv sind, verschlechtert sich ihre Leistung bei komplexen, hochgeboosteten Top-Quark-Signaturen. Daher werden Quantum Convolutional Neural Networks (QCNNs) mithilfe eines rauschfreien Quantensimulators untersucht und mit klassischen CNN-Modellen verglichen. Mehrere QCNN-Architekturen werden evaluiert, wobei Faltungsblöcke, Datenkodierung, Verlustfunktionen und Batchgrößen variiert werden. Für jedes Quantenmodell wird ein entsprechendes klassisches CNN zur fairen Gegenüberstellung konstruiert. Die Ergebnisse zeigen, dass korrekt konfigurierte QCNNs ihre klassischen Gegenstücke in den meisten Szenarien übertreffen. Zur Effizienzsteigerung in ausdrucksstärkeren Modellen wird die Dimensional Expressivity Analysis (DEA) eingesetzt, um die Anzahl trainierbarer Parameter ohne Leistungsverlust zu reduzieren. Das DEA-optimierte QCNN erzielt eine höhere Klassifikationsgenauigkeit und verdeutlicht das Potenzial quantenverstärkter Modelle in realistischen HEP-Anwendungen. Insgesamt zeigt diese Arbeit das Potenzial von QML, insbesondere QCNNs, als wettbewerbsfähigen Ansatz für die Datenanalyse in der HEP und eröffnet Perspektiven für zukünftige Forschung zu klassischen Simulationen und rauschtoleranter Quantenhardware.
Zusammenfassung Quantencomputing ist als Konzept mittlerweile zwar mehrere Jahrzehnte alt und hat von der Idee bis zu den heutigen Noisy Intermediate-Scale Quantum Maschinen verschiedene Phasen stetiger Entwicklung durchlaufen, jedoch insbesondere in den letzten Jahren deutlich an Dynamik gewonnen. Im aktuellen Stadium stehen Quantenrechner zur Verfügung, die zwar noch immer stark limitiert sind, jedoch die Ausführung maßgeschneiderter Algorithmen unterstützen, die bestehende Schwächen dieser Maschinen mit ihrem speziellen Design zu umgehen versuchen. Diese Algorithmen adressieren dabei mit Maschinellem Lernen, kombinatorischer Optimierung und Simulationsanwendungen sowie weiteren potenziellen Anwendungsfeldern Problemstellungen, die praktisch vielfältig relevant und deshalb von breitem, allgemeinen Interesse sind. Das prinzipielle Potenzial des Quantencomputers, in bestimmten Anwendungsfeldern deutlich leistungsfähiger zu sein als klassische Rechner, ruft viel Aufmerksamkeit hervor. Außerdem stellt bereits eine ganze Reihe von prinzipiell für jedermann zugänglichen Softwareframeworks Implementierungen aktueller Quantenalgorithmen zum Test und zur Evaluierung bereit. Der Artikel stellt die bisherige Entwicklung, aktuelle Verfahren sowie weitere Perspektiven der Technologie in Grundzügen dar und informiert über mögliche Anwendungsgebiete aber auch bekannte Grenzen des Quantencomputing-Paradigmas.
Das rasante Wachstum des maschinellen Lernens und der zu verarbeitenden Datenmengen hat den Bedarf an Rechenressourcen stark erhöht - zu einer Zeit, in der die Entwicklung klassischer Hardware an physikalische Grenzen stößt. Das Quantencomputing, mit seinem Potenzial für neue Formen der Parallelisierung und algorithmischen Beschleunigung, hat sich daher zu einem vielversprechenden Kandidaten entwickelt, um klassische Methoden zu ergänzen. In diesem Kontext zielt das Quantenmaschinelle Lernen darauf ab, Quanteneffekte zu nutzen, um die Ausdruckskraft und Effizienz von Modellen zu steigern.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Komponistenklassifikation auf Basis symbolischer Musikdaten von Live-Aufführungen und untersucht, wie Ansätze des hybriden Quantencomputings darauf angewendet werden können. Wir vergleichen strukturell unterschiedliche Methoden zur Merkmalsextraktion aus symbolischen Musikdaten, darunter an die natürliche Sprachverarbeitung angelehnte Verfahren, Graph-Einbettungen sowie musiktheoretisch fundierte statistische Verfahren, zunächst im Bereich des klassischen maschinellen Lernens. Während sich die Graph-Einbettung für unser Live-Aufführungsdaten als ungeeignet erweist, liefern die beiden anderen Ansätze starke klassische Referenzmodelle, und es gelingt uns, ein nicht reproduzierbares Verfahren aus der Literatur zu verbessern und damit konkurrenzfähige Ergebnisse zu erzielen.Auf dieser Grundlage evaluieren wir systematisch zwei Klassen von Quantenklassifikatoren - variationale Quantenschaltkreise und Quanten-Support-Vector-Machines - unter Verwendung einer simulierten Quantenrechenumgebung. Wir analysieren ihre Leistung im Verhältnis zu den klassischen Referenzmodellen sowie ihre Empfindlichkeit gegenüber verschiedenen Parametereinstellungen.Unsere Quantenmodelle können klassische Verfahren derezeit nicht übertreffen. Sie weisen jedoch charakteristische Muster von Unteranpassung und Überanpassung aufweisen, die wertvolle Hinweise für die Gestaltung zukünftiger hybrider Systeme liefern können. Zudem beobachten wir deutliche Leistungsunterschiede in Abhängigkeit von der Methode der klassischen Merkmalsextraktion.Wir legen eine Fallstudie vor, die Komponistenklassifikation in einem hybriden klassisch–quantischen Setup implementiert. Unsere Ergebnisse leisten einen Beitrag zum Verständnis des Verhaltens, der Grenzen und des Potenzials quantenmaschineller Lernmodelle im Bereich der Informationsextraktion aus Musikdaten.
Zusammenfassung Für den nächsten Konjunkturzyklus benötigen wir viel mehr Rechenkapazität und Computer mit Transistortechnologie kommen an ihre Grenzen. Es sind also neue Innovationen gefragt. Der Quantencomputer, der das binäre System aushebelt und nicht auf Mikroprozessoren aus Silizium basiert, könnte eine Lösung sein. Diese Technologie wird sich exponentiell weiter entwickeln und nachhaltige Auswirkungen auf Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft haben. Speziell die Quantenkommunikation bietet eine vollständig neuartige Möglichkeit verteilter Rechenleistung, indem sie erlaubt Quantencomputer über Quantenkanäle zu vernetzen und so intrinsisch sichere Kommunikation zu gewährleisten. Dieser Artikel macht begreiflich, wie Quantencomputer neue Phänomene ausnutzen, die in der klassischen Physik nicht auftreten. Entlang vier identifizierter Haupteinsatzgebiete (Optimierung, Simulation, Maschinelles Lernen und Kryptographie) beschreiben wir Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Branchen. Wir erklären wie technische Herausforderungen das Potenzial noch zurückhalten und wie der Quantencomputer als Ergänzung zu traditionellen Computersystemen einen großen Beitrag leisten kann. Entsprechend müssen Unternehmen nicht unbedingt in Quantencomputer investieren, sondern in deren Nutzung. Quantum als Service kann ein erster Schritt für visionäre Unternehmer sein, um sich damit vertraut zu machen und frühzeitig Wettbewerbsvorteile zu erlangen.
Quantencomputer ermöglichen es, bestimmte Berechnungen schneller, genauer und energieeffizienter durchzuführen als klassische Computer, indem sie quantenmechanische Phänomene ausnutzen. Da die Umsetzung der meisten Quantenalgorithmen allerdings Operationen benötigt für die Quantencomputer ungeeignet sind, z. B. Datenbankzugriffe, werden Quantencomputer typischerweise als Spezialprozessoren in hybriden Quantenanwendungen verwendet. Die Entwicklung und der Betrieb dieser hybriden Anwendungen sind komplex und erfordern eine enge interdisziplinäre Zusammenarbeit. Dabei wird tiefgreifendes Wissen aus unterschiedlichen Domänen benötigt, beispielsweise aus der Mathematik, Physik und Softwareentwicklung. Zusätzlich wird die Entwicklung und der Betrieb von Quantenanwendungen durch weitere Faktoren erschwert: (i) Die aktuelle Quantensoftwarelandschaft und die verfügbaren Quanten-Clouddienste, die Zugriff auf unterschiedliche Quantencomputer geben, sind sehr heterogen. (ii) Die schnellen Fortschritte im Quanten-Software-Engineering führen zur Einführung neuer Techniken, welche die Ausführung von Quantenschaltkreisen verbessern können, allerdings aktuell eine komplexe, manuelle Integration erfordern. (iii) Das Fehlen geeigneter Abstraktionsebenen führt dazu, dass die Entwicklung von Quantenanwendungen, insbesondere für Entwickler, die wenig Erfahrung mit Quantencomputing haben, zeitaufwändig und fehleranfällig ist. Um diese Probleme zu lösen, wird in dieser Arbeit die PASTA-Methode präsentiert. Diese basiert auf der Quantencomputingmustersprache, welche etablierte Konzepte und Best Practices in der Quantencomputingdomäne intuitiv verständlich dokumentiert, und stellt einen ganzheitlichen Prozess für diemusterbasierten Entwicklung und den Betrieb von Quantenanwendungen vor. Die Methode beinhaltet alle notwendigen Schritte von der Auswahl der zu verwendenden Quantencomputingmuster, über die Generierung der ausführbaren Quantenanwendung auf Basis wiederverwendbarer Lösungen sowie die Bereitstellung der erforderlichen Softwareartefakte, bis hin zur Überwachung und Analyse der Ausführung hybrider Quantenanwendungen. Zur Umsetzung der PASTA-Methode wird im Rahmen dieser Arbeit die Quantencomputingmustersprache um mehrere Muster erweitert, welche Best Practices für den Betrieb von hybriden Quantenanwendungen sowie etablierte Methoden zur Abschwächung und Korrektur von Quantenfehlern dokumentieren. Um die vom Nutzer ausgewählten Muster in einen ausführbaren Quantenworkflow transformieren zu können, werden eine Vielzahl neuer Workflowmodellierungskonstrukte eingeführt, welche die Spezifikation verschiedener, häufig auftretender Aktivitäten in Quantenworkflows vereinfachen. Weiterhin wird ein Ansatz für die automatische und dynamische Bereitstellung von hybriden Quantenanwendungen auf Grundlage von Nutzeranforderungen vorgestellt. Auf diesen Konzepten aufbauend werden neue Sichten auf Quantenworkflows eingeführt, welche die Überwachung und Analyse von hybriden Quantenanwendungen vereinfachen. Die Sichten ermöglichen es unterschiedlichen Nutzergruppen, wie beispielsweise Quantenexperten und dem Betriebspersonal, Quantenanwendungen auf verschiedenen Abstraktionsebenen zu analysieren und bieten zusätzliche, für die jeweilige Nutzergruppe relevante Informationen. Zur Demonstration der praktischen Umsetzbarkeit der PASTA-Methode wird das PASTA-Framework eingeführt, welches die in dieser Arbeit eingeführten Konzepte prototypisch implementiert. Die Nutzbarkeit der Methode und des Frameworks werden anhand mehrerer Anwendungsfälle evaluiert, für welche eine Laufzeitanalyse sowie eine Nutzerstudie durchgeführt wird.