Quantencomputer: So funktioniert er, das kann er

Technologie

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Datum 01.04.2021
Lesezeit 6 Min.

Quantencomputer: So funktioniert er, das kann er

Als Google im Oktober 2019 seinen ersten Quantencomputer Sycamore präsentiert, ist die Aufregung groß. Vor allem Wettbewerber IBM stellt die von Google angegebene Rechengeschwindigkeit in Frage. Nach Angaben des Suchmaschinen-Riesen benötigt der Quantencomputer Sycamore für eine bestimmte sogenannte Random-Circuit-Sampling-Rechenaufgabe nur drei Minuten und 20 Sekunden. 

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Der bisher schnellste Rechner der Welt, Supercomputer Summit von IBM, der noch mit klassischen Bits und Bytes rechnet, würde für die gleiche Aufgabe etwa 10.000 Jahre benötigen. Fakt ist: Quantencomputer arbeiten ganz anders als bisherige Rechner. Und die für Sycamore gestellte Aufgabe, die keine praktische Relevanz hat, kommt seiner Arbeitsweise besonders entgegen. Mit einer etwas anderen Konfiguration würde deren Supercomputer Summit für diese Rechenaufgabe nur 2,5 Tage benötigen, entgegnet IBM.

Womit wir schon zur ersten Frage kommen:

Wie funktioniert überhaupt ein Quantencomputer?

Heute übliche Prozessoren in Computern, Auto-Steuergeräten, Smartphones oder TVs arbeiten mit Bits. Diese Bits können nur zwei Zustände annehmen: 1 oder 0, also „Strom an“ oder „Strom aus“. 

Quantencomputer arbeiten mit, der Name sagt es schon, Quanten. Ein Quant ist der kleinstmögliche Wert, den eine physikalische Größe annehmen kann. Ein Quant kann nicht geteilt werden. Ein Quant ist die Grundrecheneinheit in einem Quantencomputer und wird Qubit genannt.

Wie ein Bit in herkömmlichen Computern kann ein Qubit entweder im Zustand 1 oder 0 sein. Darüber hinaus kann ein Qubit aber auch beide Zustände GLEICHZEITIG annehmen – und unendlich viele Zustände dazwischen. Während zwei Bits in einem Computer mit ihren vier Entweder-oder-Zuständen lediglich die Zahlen 0 bis 3 darstellen können, benötigt ein Quantencomputer dafür nur einen Qubit. Jedes zusätzliche Qubit verdoppelt die Anzahl der gleichzeitig speicherbaren Werte. 300 Qubits können 2300 Werte aufnehmen – eine größere Zahl als Teilchen im Universum existieren. Der Prozessor in Sycamore von Google besteht aus 53 Qubits.




Video: YouTube / Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF

Für die enorme Rechengeschwindigkeit eines Quantencomputers ist noch eine weitere Fähigkeit der Qubits verantwortlich. Sie können sich miteinander verbinden. Diese von Experten Quantenverschränkung genannte Eigenschaft sorgt dafür, dass sich eine Zustandsänderung des einen Qubits auf den mit ihm verbundenen Qubit überträgt – und zwar in Überlichtgeschwindigkeit. Da in der Regel immer mehrere Qubits so miteinander verbunden sind, kann ein Quantencomputer mit Überlichtgeschwindigkeit Berechnungen durchführen.

So haben Chinesen Ende 2020 ihren Quantencomputer Jiuzhang vorgestellt, der 1014 mal schneller ist als ein Supercomputer. Allerdings war auch die Aufgabe, wie beim Google Sycamore, speziell auf den Quantencomputer zugeschnitten und ohne praktischen Wert.

 




Video: YouTube / SciNews

 

Wann werden Quantencomputer sinnvolle Aufgaben erledigen können?

Bis Quantencomputer sinnvoll eingesetzt werden können, müssen die Entwickler noch mehrere Herausforderungen meistern. Qubits haben die Eigenschaft, sich zu bewegen, sobald sie eine bestimmte Menge Energie haben. Um Qubits nutzen zu können, versuchen die Entwickler die Qubits möglichst stabil zu halten, indem sie sie beispielsweise auf mindestens minus 271 Grad Celsius herunterkühlen. Die Qubits werden sozusagen schockgefroren. Das dauert mehrere Tage und erfordert aufwendige und energiehungrige Kühlanlagen.


Trotzdem bleiben Qubits nur für Sekundenbruchteilen stabil genug, um Berechnungen zuverlässig durchführen zu können. Zur Sicherheit müssen die Rechenwege eines Qubits stets nachberechnet und kontrolliert werden. Dafür sind aktuell etwa sieben weitere Qubits nötig. 

Eine weitere Herausforderung ist die Programmierung eines Quantencomputers. Da sie nach anderen Gesetzen funktionieren, ist eine Programmierung mit den bekannten Methoden nicht möglich. Um den Zustand eines Qubits auszulesen, muss er in Millisekundenbruchteilen genauestens ausgemessen werden. Dazu sind mehrere übereinandergelegte sogenannte Quantengatter notwendig, mit denen die Qubits verschränkt (also verbunden), ihr Zustand ausgelesen und verändert werden kann. Die Steuerung dieser Gatter erfolgt über Mikrowellenimpulse. Deren Steuer- und Ausleseelektronik ist so komplex und umfangreich, dass sie aktuell noch den größten Platz innerhalb eines Quantencomputersystems einnimmt.

 

Hier können Quantencomputer ihre Stärken ausspielen

Bis die ersten Quantencomputer sinnvoll eingesetzt werden können, werden noch Jahre vergehen. Schätzungen von IBM zufolge ist dies frühestens gegen 2030 der Fall. Niemand kann heute zuverlässig vorhersagen, welche Möglichkeiten sie uns bieten werden. Das war jedoch bei der Einführung der ersten „normalen” Computer ähnlich. Hier ein paar Beispiele, die deutlich machen, welches Potenzial Quantencomputer bieten.

 

Verkehr ohne Stau

Durch ihre Fähigkeit, riesige Datenmengen in ultrakurzer Zeit zu berechnen, können Quantencomputer komplexe Verkehrssituationen viel schneller erfassen, vorausberechnen und in Echtzeit optimierte Routen zur Verfügung stellen. Quantencomputer können jede Ampelschaltung, Tempolimits, sowie Routen anderer Fahrzeuge in die Routenberechnung einfließen lassen und so ganze Verkehrsströme sowohl in Städten aber auch auf Autobahnen staufrei leiten. Auch die fürs autonome Fahren nötigen datenintensiven Berechnungen kann ein Quantencomputer übernehmen.

 

Entwicklung von wirksameren und kostengünstigeren Medikamenten

Bei der Entwicklung von Medikamenten und Impfstoffen können Forscher in der Regel nicht auf Simulationen setzen. Sie müssen Wirkstoffe und ihre Zusammensetzung aufwendig im Labor testen. Eine Simulation beispielsweise eines Penicillin-Moleküls schaffen selbst die besten Superrechner der Welt nicht. „Ein Quantencomputer mit 286 Qubits wäre dazu sehr wohl in der Lage“, erklärt Christian Rätzsch, IBM-Technikvorstand für Asien und Pazifik. Mit Hilfe solcher Super-Rechner können Pharmakonzerne molekulare Strukturen simulieren und die Zusammensetzung von Wirkstoffen berechnen. Das spart Zeit und damit Kosten und erhöht obendrein die Qualität der Arzneimittel.

 

Hochwirksamer Datenschutz

Dank Whistleblower Edward Snowden wissen wir, dass der US-amerikanische Geheimdienst NSA längst an Quantencomputern forscht. Vermutlich mit dem Ziel, die besten Verschlüsselungscodes der Welt zu knacken. Denn gerade beim Lösen mathematischer Rätsel, der Grundlage aller heutzutage eingesetzter hochwirksamer Codes, sind Quantencomputer aufgrund ihrer enormen Rechenleistung höchst effizient. Bankgeschäfte, E-Commerce oder E-Mails wären dann nicht mehr sicher. Forscher sind allerdings davon überzeugt, dass mithilfe von Quantencomputern auch absolut sichere Verschlüsselungsverfahren möglich sind.

 

Große Vorteile für Big Data und IoT

Das sichere und superschnelle Verarbeiten von großen Datenmengen schafft auch für Big Data und das Internet of Things neue Möglichkeiten. Quantencomputer können ganze Maschinenparks und Produktionsanlagen überwachen und steuern. Durch die Analyse noch feingliedrigerer Daten können Quantencomputer nötige Reparaturen und Wartungsarbeiten besser aufeinander abstimmen und somit Produktionsausfälle minimieren.

 

Der gute alte Computer hat noch lange nicht ausgedient

Die Erfindung des Quantencomputers ist nicht neu. Bereits in den 1990er Jahren entwickeln Forscher Quantencomputer mit wenigen Qubits. 2001 zerlegt ein vom IBM Almaden Research Center realisierter Quantencomputer mit sieben Qubits die Zahl 15 in ihre Primfaktoren 3 und 5. 2019 folgen der Google Sycamore, im Dezember 2020 der chinesische Jiuzhang. 

Auf praktisch einsetz- und frei programmierbare Quantencomputer müssen wir noch Jahre warten. Im nächsten Schritt werden für spezielle Aufgaben maßgeschneiderte Quantencomputer entwickelt und mit herkömmlichen Rechnern kombiniert. Die Quantencomputer übernehmen die komplexen Berechnungen, alles andere der klassische Computer. 

Und wer weiß, vielleicht steuert eines Tages auch ein Qubit unser Smartphone, unsere Waschmaschine oder unser autonomes Auto.

 

Was denken Sie über die Quantentechnologie? In welchen Bereich Ihres Unternehmens können Sie sich den Einsatz eines Quantencomputers vorstellen? Wir freuen uns auf Ihren Kommentar.

 


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