Quantencomputing: Bedeutung, Vorteile & mehr

Quantencomputing ist die Anwendung quantenmechanischer Prinzipien bei der Durchführung von Berechnungen. Die hier verwendeten Grundphänomene sind Verschränkung und Überlagerung .

Während Quantencomputing ein relativ neues Schlagwort ist, existiert die Quantenmechanik schon viel länger. Sie war maßgeblich an der Entwicklung der Elektronikindustrie beteiligt und bietet darüber hinaus Antworten auf viele Rätsel der Menschheit.

Die Quantenmechanik konzentriert sich darauf, wie Atome und subatomare Teilchen funktionieren, während sich das Wort Quanten auf das kleinste Teilchen bezieht, mit dem man arbeiten kann. Das ist der grundlegendste Baustein eines jeden physischen Objekts.

Von Max Planck bis Albert Einstein, Neils Bohr und Erwin Schrödinger waren viele große Wissenschaftler an der Entwicklung der Quantenmechanik und ihrem eventuellen Höhepunkt im Rennen um die Quantencomputer beteiligt – einem der größten Technologierennen unserer Zeit.

Dieser Beitrag entführt Sie in die magische Welt der Quantenphänomene, zeigt Ihnen, wie man daraus einen Computer baut, und erforscht die verwandten Bereiche.

Gruselige Fernwirkung

Quantenphänomene entziehen sich konventionellem Verständnis und arbeiten mit völlig anderen Begriffen als die klassische Physik. Daher verwendete Einstein in den 1930er Jahren die Worte „gespenstische Fernwirkung“, um das Phänomen der Quantenverschränkung zu beschreiben und wie es nicht in die konventionelle Wissenschaft passt.

Quantenverschränkung ist nichts Neues. Wenn Sie zwei Teilchen am selben Ort und im selben Moment erzeugen, verschränken sie sich. Das heißt, was dem einen passiert, wirkt sich auf den anderen aus.

Es ist, als würde man sich verlieben und einen Anruf bekommen, wenn man an seinen Geliebten denkt. Oder Sie tätigen einen Anruf und hören „Ich wollte Sie gerade anrufen“. Es ist auch bekannt, dass eineiige Zwillinge gleichzeitig erkranken.

Der gruseligste Teil der Quantenverschränkung ist, dass Sie eines der verschränkten Teilchen weit weg bringen können. Und welchen Bedingungen Sie es auch immer aussetzen, es wirkt sich sofort auf das zweite Teilchen aus, sogar aus einer halben Galaxie Entfernung.

Quantencomputer nutzen diese Eigenschaft, um riesige Mengen an Informationen über mehrere Teilchen gleichzeitig zu speichern. Diese Teilchen werden Qubits oder Quantenbits genannt, aber zuerst ein Blick auf das zweite quantenmechanische Phänomen.

Erwin Schrödinger und seine Katze

Ein weiterer früher Quantenforscher war der österreichische Physiker Erwin Schrödinger, der ebenso wie Albert Einstein Teile von Quantenphänomenen lächerlich fand. Also entwickelte er das heute berühmte Gedankenexperiment namens „Schrödingers Katze“, um das Paradox der Quantenüberlagerung zu visualisieren.

Dieses Experiment besagt jedoch, dass Sie eine Katze und etwas, das die Katze töten könnte, in eine Kiste legen und sie versiegeln. Sie würden nicht wissen, ob die Katze tot oder lebendig war, bis Sie die Schachtel öffneten. Logischerweise war die Katze also tot und lebendig, bis Sie die Kiste öffnen.

Superposition ist das zweite Phänomen, das Quantencomputing möglich macht. Wo klassische Computer mit Informationsbits arbeiten, die zu einem bestimmten Zeitpunkt entweder 1 oder 0 darstellen können, arbeiten Quantencomputer mit Qubits (Quantenbits), die gleichzeitig sowohl 0 als auch 1 darstellen können, genau wie die Katze, die sowohl tot als auch war am Leben.

Hier ist ein genauerer Blick auf Qubits.

Das Bit gegen das Qubit

Das Qubit macht Quantencomputing erst möglich. Ein Qubit, auch als Quantenbit oder Qbit bezeichnet, ist die kleinste Energieeinheit, die Sie manipulieren können, um Informationen zu speichern und daraus abzurufen.

Ein normales Computerbit kann zu einem bestimmten Zeitpunkt nur 0 oder 1 sein. Während ein Quantenbit beides gleichzeitig sein kann. Zwei reguläre Bits können daher zu jedem Zeitpunkt 00, 01, 10 und 11 enthalten. Aber zwei Quantenbits können alle vier Zustände gleichzeitig halten. Das bedeutet 4x schnellere Rechenzyklen.

Mit 3 regulären Bits können Sie jederzeit entweder 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 und 111 erhalten. Aber 3 Qubits halten alle acht Zustände gleichzeitig, wodurch Sie 8-mal schnellere Rechenzyklen erhalten. Wie Sie sehen können, ist diese Beziehung exponentiell, dann verdoppelt jedes zusätzliche Bit die verfügbare Informationsmenge.

Bei 5 Qubits sehen Sie sich also 32 gleichzeitige Zustände an, bei 10 Qubits sind es über 1.000 Zustände und bei 20 Qubits über eine Million. Überlegen Sie nun, wie viele Zustände die 1.000-Qubit-Quantencomputer, die IBM und Google entwickeln, gleichzeitig halten können.

Sie können Qubits aus Photonen, Elektronen, Atomkernen, Quantenpunkten, Supraleitern und anderen Implementierungen erstellen. Das Ziel ist es, eine stabile Sammlung von Quantenenergiebits zu erstellen, die Sie bequem einstellen und nach Belieben messen können.

Vorteile von Quantencomputing

Der Hauptvorteil von Quantencomputern sind sofortige Ergebnisse aus komplexen Problemen. Dies ist vor allem in Situationen der Fall, in denen Sie aus vielen Möglichkeiten die richtige Antwort auswählen müssen. Und das macht sie großartig für Zahlenfaktorisierung, groß angelegte Simulationen und Mustererkennung in der künstlichen Intelligenz.

Der Standardansatz für klassische Computer besteht darin, jede Möglichkeit zu untersuchen, bis Sie das finden, wonach Sie suchen. Oft als Nadel im Heuhaufen bezeichnet, hängt die Zeit, die diese Operation in Anspruch nimmt, davon ab, wie viel Heu oder Aufzeichnungen Sie durchsehen müssen. Und davon, wie schnell Ihre Maschine ist.

Supercomputer erleichtern solche Probleme, indem sie die Geschwindigkeit beim Prüfen jeder Möglichkeit erhöhen. Quantencomputer hingegen können alle Möglichkeiten gleichzeitig generieren, wenn genügend Qubits zur Verfügung stehen. Aus diesem Grund können sie in wenigen Stunden Probleme berechnen, für deren Berechnung gewöhnliche Computer Hunderte bis Tausende von Jahren benötigen.

Quantencomputing-Probleme und -Einschränkungen

Während Sie Bits in einem klassischen Computer leicht messen können, zerstört die Messung eines Qubits seinen Zustand und den seiner verschränkten Qubits.

Außerdem werden klassische Bits aus einer Vielzahl von Halbleitermaterialien hergestellt, die nur entweder eine Ladung halten müssen (1) oder nicht (0). Qubits sind jedoch viel komplexer und schwieriger zu implementieren. Zusätzlich zur räumlichen Isolierung eines Qubits müssen Sie es vor Umgebungseinflüssen wie Temperatur- und elektrostatischen Schwankungen abschirmen. Denn solche kleinen Umweltveränderungen werden auch diese Staaten korrumpieren.

Dieser Verlust der Verschränkung oder des Systemgleichgewichts wird als Quantendekohärenz bezeichnet und ist das Hauptproblem, das die meisten Forscher zu lösen versuchen. Es ist so schwerwiegend, dass die kommende 1.000-Qubit-Maschine von Google bis zu 1.000 Qubits für die Fehlerkorrektur jedes Qubits benötigen wird. Damit ist es eine 1-Million-Qubits-Maschine.

Das bedeutet auch, dass man einen Quantencomputer derzeit nicht wie einen Laptop oder ein Smartphone handhaben kann. Der Computer benötigt Laborbedingungen, um ein sicheres Stabilitätsniveau für seine Qubits aufrechtzuerhalten.

Ein weiterer Nachteil ist der begrenzte Umfang der sogenannten Quantenüberlegenheit, denn nicht jedes Rechenproblem beinhaltet große Mengen an Zahlen oder Möglichkeiten. Daher ist der Rechenschub bei den meisten anderen Operationen zu unbedeutend, um einen Quantencomputing-Ansatz zu rechtfertigen. Und solange Quantencomputer nicht billiger als klassische Computer werden, werden sie diese auch in absehbarer Zeit nicht ersetzen.

Trotz all dieser Nachteile bergen Quantencomputer und ihre Qubits ein großes Potenzial in der Computerindustrie, da sie mit großen Zahlen problemlos umgehen können.

Gibt es Gefahren beim Quantencomputing?

Ja. Jeder gute Hacker weiß, dass jede Technologie eine Lücke hat. Du musst es nur finden. Unabhängig von der tatsächlichen Implementierung von Quantencomputern in der Zukunft wird es also immer noch Probleme mit der Technologie geben. Und Schauspieler, die bereit sind, daraus Kapital zu schlagen.

Dieses Szenario bezieht sich auf Verwendungen wie Banken, Finanzen, Behörden und ähnliche öffentliche Aktivitäten. Ein zweites Szenario ist, wenn ein böswilliger Akteur die erstaunliche Leistung eines guten Quantencomputers einsetzt, um eine Leistung zu vollbringen. Und wie immer wird man sich einer solchen Möglichkeit erst bewusst, wenn die Tat vollbracht ist.

Quantencomputing funktioniert gut mit Zahlen. Daher sind asymmetrische Verschlüsselungsalgorithmen, die Faktorisierung verwenden, wie z. B. der Public-Key-RSA, nicht sicher. Relativ sicher sind dagegen Hashing und symmetrische Kryptografie wie AES-256 und 512 sowie SHA-256 und 512.

Andere Anwendungen der Quantenmechanik

So spannend die Welt des Quantencomputings auch ist, es ist immer noch nur ein Teil der Quantenmechanik. Mit anderen Worten, die Quantenparty fängt gerade erst an.

Die Quantenmechanik war maßgeblich an der Entwicklung von Halbleitern und moderner Elektronik beteiligt. Es wird auch an Quantennetzwerken und -kryptographie gearbeitet, wie beispielsweise der Schweizer Pionier der Quantenkryptographie ID Quantique. Außerdem haben sich Quantenphänomene in zahlreichen Forschungsgebieten als vielversprechend erwiesen, darunter Photosynthese, Geruchsrezeptoren und sogar unser Zeitverständnis.

Reale Quantencomputer

Es gibt viele Quantencomputer und ähnliche Anwendungen. Sie kommen von großen multinationalen Unternehmen wie Google und IBM, aber auch von Regierungen und sogar kleineren Akteuren wie Rigetti.

Quantencomputing ist derzeit eines der heißesten Forschungsgebiete auf dem Planeten. Es gibt also wahrscheinlich mehr geheime Programme, als Sie sich vorstellen können. Nachfolgend einige Großprojekte:

• Google besitzt 54-Qubit- und 72-Qubit-Maschinen
• IBM besitzt über 30 Maschinen, die auf der ganzen Welt verstreut sind, einschließlich des 65-Qubit-Manhattan
• In China gibt es viele Quantencomputer, darunter eine 76-Qubit-Maschine und sogar Quantensatellitenkommunikation.
• Googles 54-Qubit-Maschine mit Sycamore-Antrieb benötigte nur 200 Sekunden, um zu berechnen, wofür Supercomputer 10.000 Jahre brauchen würden, um zu berechnen.
• IBM entwickelt bis 2023 eine 1.000-Qubit-Maschine
• Rigetti Computing besitzt vier, darunter eine 31-Qubit-Maschine
• Google baut ein neues Quantenzentrum, um bis 2029 einen 1.000-Qubit-Computer zu schaffen. Unter Berücksichtigung der Fehlerkorrektur könnten die gesamten Qubits dieses Computers 1 Million erreichen.

Fazit

Quantencomputer sind gekommen, um zu bleiben. Da sie viele Möglichkeiten schaffen und reale Probleme lösen werden, mit denen klassische Computer seit Jahrzehnten zu kämpfen haben.

Es gibt jedoch noch viel zu tun und Herausforderungen zu meistern, bevor wir dort ankommen. Und bis dahin könnte China die Welt überraschen.