Technologien der Zukunft: Quantencomputer

Technologien der Zukunft: Quantencomputer

Die Welt der Computer bewegt sich in einem wahnsinnigen Tempo nach vorne und der Fortschritt scheint kaum Grenzen zu kennen. Der Apollo Guidance Computer, der für das Apollo-Weltraumprogramm entwickelt wurde, hatte (in der stärksten Version) stolze 2 MHz Rechenleistung und rund 64 kByte Speicher. Ein aktuelles iPhone könnte schätzungsweise 5500 von diesen „Mondlandungscomputern“ ersetzen.


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Nichtsdestotrotz kommen auch die aktuellsten Systeme und Supercomputer an ihre Grenzen. Das passiert immer öfter in Bereichen, die extreme Anforderungen an die Rechenleistung stellen: künstliche Intelligenz, komplexe Optimierungsprobleme, (chemische) Simulationen und viele andere.

Manche dieser Probleme sind (mathematisch) so komplex, dass traditionelle Computer sie eventuell niemals lösen werden können. Das hängt unter anderem damit zusammen, dass sich aktuelle Computerarchitekturen (zum Beispiel hinsichtlich der Größe der Transistoren) schon jetzt an der Grenze dessen bewegen, was physikalisch möglich ist.

Die Lösung für dieses Problem scheint aber bereits gefunden: Quantencomputer!

Quantencomputer und Quantum Computing: Worum geht es?

Traditionelle Computer basieren ganz fundamental auf dem binären Prinzip. Etwas, ein Bit, kann entweder an (1) oder aus (0) sein – wie ein Lichtschalter. Alles, was ein Computer ‚versteht‘ und tut, ist im Kern definiert durch eine Reihe von binären Zuständen.

Wenn wir uns nun Quantencomputer ansehen, wird es schnell ein wenig komplizierter, denn sie folgen völlig anderen Regeln (den Regeln der Quantenphysik) als traditionelle Computer. Die folgende Erklärung ist zwar eine (ziemlich drastische) Vereinfachung der Realität, sollte aber dabei helfen, die grundlegenden Prinzipien (Qubits, Superposition, Verschränkung und Interferenz) zu verstehen.

Wenn wir von Quantencomputern sprechen, sind es nicht mehr Bits, sondern Qubits (QBits) die von Bedeutung sind. Diese werden aus Supraleitern hergestellt und können eine sogenannte Superposition zwischen 0 und 1 annehmen. Wenn man das Ganze mit einem Münzwurf vergleicht, wäre die Superposition der ‚Zustand‘ der Münze in der Luft – weder Kopf, noch Zahl.

Dieser Zustand/Position zwischen den traditionellen Polen erlaubt es der Quanteninformatik, sehr viel komplexere Zustände ausdrücken als zuvor. Wenn ein Qubit sich in einer Superposition von zwei Zuständen befinden kann, können sich zwei Qubits in einer Superposition von vier Zuständen und drei Qubits in einer Superposition von acht Zuständen befinden. Die Zahl der möglichen Zustände, die Menge an möglicher Information, wächst also exponentiell mit der Menge der Qubits.

Das zweite zentrale Prinzip ist die sogenannte Verschränkung. Wenn man zwei Qubits miteinander verschränkt, können diese nicht mehr einzeln beschrieben werden, da sie voneinander abhängig sind/werden. Sobald mehrere Qubits verschränkt werden, verhalten sie sich als zusammenhängendes System.

Das dritte Prinzip, das wir verstehen müssen, ist die Interferenz. Diese beschreibt, was passiert, wenn sich zwei Wellen überlagern. Je nachdem, wie die Wellen aussehen, können sich sich verstärken oder auslöschen. Ein Beispiel aus der nicht-Quantenwelt sind Noise-Canceling-Kopfhörer, die eine Frequenz erzeugen, die die Frequenz des Lärms auslöscht. Durch den gezielten Einsatz von Interferenzen können die Quantenzustände kontrolliert werden und richtige Signale verstärkt werden.

Die große Schwierigkeit für Quanteningenieure (die Programmierer der Zukunft) besteht nur darin, einen Weg zu finden, Operationen und Algorithmen so zu gestalten, dass aus den komplexen Zuständen verwertbare Ergebnisse entstehen.

Während diese Eigenheiten vollkommen neue Möglichkeiten mit sich bringen, ist es (noch) sehr schwer, zuverlässig mit mehren Qubits zu arbeiten. Aus diesem Grund ist die Frage nach der idealen Menge an Qubits, die Probleme ideal mit möglichst wenigen Fehlern lösen kann, ein zentrales Problem.

Wenn man nun einen Quantencomputer bauen möchte, muss man, so wird es zumindest aktuell gemacht, Qubits herstellen, die sich wie künstliche Atome verhalten. Diese Qubits werden im Quantencomputer (extrem) gekühlt gelagert um die Energie im System zu minimieren und so die Kontrolle zu bewahren. Um mit den Qubits zu ‚kommunizieren‘, werden Mikrowellen verwendet, mit denen die Zustände gezielt verändert werden können.

Im Video unten (YouTube) erklärt Dr. Talia Gershon (IBM Quantum Research) die Idee der Quantencomputer fünf Mal in verschiedenen Schwierigkeitsgraden – angefangen bei einem Kind bis hin zu einem Experten. 🙂

Was bringt uns das?

Zum jetzigen Zeitpunkt sind Quantencomputer nicht notwendigerweise immer schneller oder besser als traditionelle Computer. In bestimmten Situationen sind sie aber auf jeden Fall den älteren, binären, Systemen weit überlegen. Aus diesem Grund sind Quantencomputer keine Alternative, im Sinne der Ersetzung, für traditionelle Systeme, sondern eine neue, sehr wichtige, Klasse von Computern. Das Smartphone wird aber vermutlich auch in Zukunft noch mit ganz normalen Transistoren arbeiten.

In Zukunft werden Quantencomputer immer dann zum Einsatz kommen, wenn klassische Computer ihre Grenzen erreichen. Im naturwissenschaftlichen Bereich geht es dabei zum Beispiel in erster Linie um komplexe Simulationen. Mit der Hilfe von Quantencomputern können zum Beispiel chemische Prozesse extrem naturgetreu modelliert und simuliert werden.

Im Bereich des maschinellen Lernens und der künstlichen Intelligenz werden Quantencomputer dabei helfen, besser aus riesigen Datenmengen (Big Data) zu lernen.

Ein weiterer spannender, aber auch beängstigender, Bereich ist die sogenannte Post-Quanten-Kryptographie. Zum jetzigen Zeitpunkt kann angenommen werden, dass in (vermutlicher relativ ferner) Zukunft viele, aktuell als sicher geltende, Verschlüsselungsverfahren mithilfe von Quantencomputern gebrochen werden können. Aus diesem Grund versuchen Post-Quanten-Kryptographen neue Verfahren zu entwickeln, die auch in Anbetracht von hypothetischen Quantencomputern sicher sind und bleiben.

Wo stehen wir?

Die Forschung steckt immer noch in den Kinderschuhen und es ist schwer abzusehen, wie und wie schnell sich Quantencomputer und die notwendigen Algorithmen entwickeln werden.

Nichtsdestotrotz gibt es schon jetzt Quantencomputer, die praktische Ergebnisse erzielen können. Erst vor wenigen Tagen (am 08. Januar 2019) hat IBM den Q System One vorgestellt. Dabei handelt es sich um den ersten kommerziellen Quantencomputer, der außerhalb von Forschungseinrichtungen zum Einsatz kommen wird. Mit ’nur‘ 20 Qubits entspricht der Computer zwar nicht dem Forschungsstand (Google besitzt einen Quantencomputer mit 72 Qubits), ist dafür aber für den ‚Hausgebrauch‘ (wenn man das nötige Kleingeld hat) gedacht.

Interessierte können bereits jetzt, völlig kostenlos, mit Quantencomputern experimentieren, die in der ‚Cloud‘ liegen. Wer sich das einmal anschauen möchte, der sollte bei IBMs Q Experience vorbeischauen. Programmierer könnten sich außerdem auch für Qiskit, ein sehr schön dokumentiertes open-source Framework für Quantum-Computing, interessieren.

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