Quantencomputer erklärt: 22 Schlüssel-Fakten (2021 Edition)

Quantencomputer sind nicht dafür gedacht, Ihre E-Mails zu checken, Status zu updaten oder normale Software-/Hardware-Aufgaben zu erledigen. Stattdessen basieren sie auf etwas Komplexerem – Quantenmechanik.

Quantencomputer befassen sich mit Teilchen, die viel kleiner als Atome sind. Auf solch winzigen Skalen ergeben die physikalischen Gesetze keinen Sinn mehr. Hier beginnen die spannenden Dinge. Teilchen können hin und her bewegt werden oder sogar gleichzeitig existieren. Diese Computer können die Rechenleistung weit über das hinaus steigern, was heutige konventionelle Computer erreichen.

Lassen Sie uns ausführen, was wir derzeit über Quantencomputing wissen. Wir haben einige der interessantesten Fakten über Quantencomputer gesammelt, die Ihren Verstand strapazieren werden.

1. Informationsspeicher-Muster

Heutige Computer speichern Daten im Binärformat – eine Reihe von 0 und 1. Jeder Speicherbestandteil heißt Bit und kann via Boolescher Logik manipuliert werden.

Ein Quantencomputer hingegen speichert Daten als „0“, „1“ oder eine Quanten-Superposition beider Zustände. Ein solches Quantenbit (Qubit) bietet weit größere Flexibilität als ein binäres System.

Qubits lassen sich durch Teilchen mit zwei Spin-Zuständen – „up“ und „down“ – implementieren. Ein solches System könnte auf ein effektives Spin-1/2-System abgebildet werden.

2. Atemberaubende Geschwindigkeit

Da Daten in Quantencomputern in mehr als nur 0- und 1-Zuständen existieren können, können sie Berechnungen parallel durchführen. Nehmen wir ein simples Beispiel: Befindet sich das Qubit in einer Superposition von Zustand 0 und Zustand 1 und führt eine Berechnung mit einem anderen Qubit in ähnlicher Superposition durch, ergeben sich vier Ergebnisse – 0/1, 0/0, 1/0 und 1/1.

Der Quantencomputer zeigt das obige Ergebnis, wenn er sich in einem Zustand der Dekohärenz befindet, der (solange er in einer Superposition von Zuständen ist) andauert, bis er in einen Zustand kollabiert. Die Fähigkeit, mehrere Aufgaben gleichzeitig auszuführen, nennt man Quantenparallelismus.

3. Sicherheit neu definiert

Die Geschwindigkeit von Quantencomputern ist auch ein ernstes Anliegen im Bereich Verschlüsselung und Kryptografie. Heutige Finanzsicherheitssysteme basieren auf der Faktorisierung großer Zahlen (RSA- oder DSA-Algorithmen), die von konventionellen Computern innerhalb der Lebensdauer der Erde nicht geknackt werden können. Ein Quantencomputer könnte die Zahlen jedoch in vernünftiger Zeit faktorisieren.

Andererseits werden Quantencomputer unknackbare Sicherheitsfeatures bieten können. Sie können kritische Daten (Online-Transaktionen, E-Mail-Konten) mit weit besseren Verschlüsselungen sperren.

Viele Algorithmen wurden für Quantencomputer entwickelt – die bekanntesten sind Grovers Algorithmus (für die Suche in unstrukturierten Datenbanken) und Shors Algorithmus (für die Faktorisierung großer Zahlen).

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4. Energieeffizienz

Stromverbrauch ist der kritische Faktor jedes elektrisch betriebenen Geräts. Ein riesiges Prozessor-Array benötigt eine gewaltige Stromversorgung, um die Leistung aufrechtzuerhalten. Der schnellste Supercomputer der Welt (Summit) verbraucht beispielsweise 13 MW.

Bei Quantencomputern wird es jedoch wirklich interessant. Da sie Quantentunneln nutzen, werden sie den Stromverbrauch um den Faktor 100 bis 1.000 reduzieren.

5. Die alternativen Realitäten

Laut Quantenphysik haben wir es mit einem Multiversum zu tun, in dem ein Problem viele oder unendlich viele wahrscheinliche Lösungen haben kann. Zum Beispiel lesen Sie diesen Artikel vielleicht auf Ihrem Laptop. In einem anderen Universum lesen Sie ihn vielleicht mobil auf Reisen.

Ein Quantencomputer kann „n“ Aufgaben in „n“ parallelen Universen ausführen und zum Ergebnis gelangen. Wenn ein klassischer Computer „n“ Berechnungen in „n“ Sekunden durchführt, kann ein Quantencomputer „n²“ Berechnungen in derselben Zeit ausführen.

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Sie erinnern sich vielleicht an IBMs Deep Blue, den ersten Computer, der 1997 einen Schachweltmeister (Garry Kasparov) besiegte. Der Computer tat dies, indem er 200 Millionen mögliche Züge pro Sekunde prüfte. Weit entfernt von menschlicher Gehirnleistung! Wäre es eine Quantenmaschine, hätte sie 1 Billion Züge pro Sekunde berechnet, 4 Billionen in 2 Sekunden und 9 Billionen in 3 Sekunden.

6. Warum Quantencomputer so schwer zu bauen sind

Das Problem bei Quantencomputern ist Stabilität. Störungen (jegliche Vibration stört die Schwingung der Atome) erzeugen wirren Output. Elektronen in der Quantenmechanik verhalten sich wie Wellen und werden durch eine Wellenfunktion beschrieben. Diese Wellen können interferieren, was das seltsame Verhalten von Quantenteilchen verursacht – das nennt man Dekohärenz.

7. Kalte Temperaturen

Die Temperatur, um einen stabilen Zustand für bessere Performance aufrechtzuerhalten, muss extrem niedrig sein. Damit Quantencomputer funktionieren, müssen Atome stabil gehalten werden. Der eine bekannte effiziente Weg, diese Atome stabil zu halten, ist die Temperatur auf null Kelvin zu senken, wo Atome ohne Wärmeabgabe stabil werden.

Derzeit ist das D-Wave 2000Q System der fortschrittlichste Quantencomputer. Sein supraleitender Prozessor wird auf 0,015 Kelvin gekühlt (180-mal kälter als der interstellare Raum).

8. Problemlösefähigkeiten

Quantencomputer können klassische Algorithmen ausführen; für effiziente Ergebnisse nutzen sie jedoch Algorithmen, die inhärent quantenmechanisch scheinen oder Merkmale wie Quantenverschränkung oder Quanten-Superposition verwenden.

Unentscheidbare Problemklassen bleiben in der Quantenberechnung unentscheidbar. Was Quantenalgorithmen faszinierend macht: Sie können Probleme schneller lösen als klassische Algorithmen. Beispiel: Das Traveling-Salesman-Problem lässt sich in Sekunden lösen, wofür klassische Computer 30 Minuten brauchen.

Zudem kann ein Quantencomputer helfen, ferne Planeten zu entdecken, Wetter präzise vorherzusagen, Krebs früher zu erkennen und wirksamere Medikamente durch Analyse von DNA-Sequenzdaten zu entwickeln.

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9. KI-Gamechanger

Künstliche Intelligenz steckt noch in den Kinderschuhen. Heutige fortschrittliche Roboter können in einen Raum gehen, Materialien, Formen und bewegte Körper erkennen, aber ihnen fehlen die Faktoren, die sie wirklich intelligent machen. Quantencomputer sind im Informationsverarbeitungsbereich weit überlegen – mit 300 Bits könnten wir das gesamte Universum abbilden.

Quantenmaschinen könnten die Rate von Machine-Learning-Operationen exponentiell beschleunigen – von hunderten tausenden Jahren auf bloße Sekunden.

Um den Abstand zwischen zwei großen Vektoren von 1 Zettabyte Größe zu messen, braucht ein klassischer Computer mit GHz-Takt Hunderttausende Jahre. Ein GHz-Quantencomputer (falls je gebaut) bräuchte nach Verschränkung mit dem Hilfs-Qubit nur eine Sekunde.

10. Nicht alles kann schnell gemacht werden

Obwohl Quantencomputer den optimalsten Weg zur Problemlösung finden, basieren sie auf grundlegenden mathematischen Prinzipien, die Ihr PC täglich nutzt. Das bezieht sich auf Basis-Arithmetik, die bereits gut optimiert ist.

Es gibt keinen besseren Weg, eine Zahlenmenge zu addieren, als sie einfach zu addieren. In solchen Fällen sind klassische Computer genauso effektiv wie Quantencomputer.

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11. Neuerste Errungenschaften im Quantencomputing

Wissenschaftler der University of New South Wales entwickelten 2015 das erste Quanten-Logik-Gatter aus Silizium. Im selben Jahr enthüllte NASA den ersten operativen Quantencomputer von D-Wave im Wert von 15 Millionen Dollar.

2016 schufen Forscher der University of Maryland den ersten reprogrammierbaren Quantencomputer. Zwei Monate später spezifizierte die Universität Basel eine Variante des Elektron-Loch-basierten Quantencomputers, der Elektronenlöcher (statt Elektronenspins) in einem Halbleiter bei niedrigen Temperaturen nutzt – weniger anfällig für Dekohärenz.

2019 veröffentlichten Google AI und NASA ein Paper, in dem sie behaupteten, Quantenüberlegenheit erreicht zu haben – ein Durchbruch in der Geschichte des Quantencomputings.

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12. Systeme zur Simulation von Quantenmaschinen

Eine der wichtigsten Anwendungen des Quantencomputings sind Quantensimulatoren. Sie ermöglichen die Analyse von Quantensystemen, die mit Supercomputern nicht modellierbar und im Labor schwer zu untersuchen sind.

Quantensimulatoren sind speziell darauf ausgelegt, Einblicke in bestimmte Physikprobleme zu geben. Sie können mit konventionell programmierbaren „digitalen“ Quantencomputern konstruiert werden, die ein breites Spektrum Quantenprobleme lösen könnten.

Bisher wurden Quantensimulatoren in vielen verschiedenen experimentellen Plattformen realisiert – Systeme gefangener Ionen, Polarmoleküle, ultrakalte Quantengase, Quantenpunkte und supraleitende Schaltkreise.

13. Programmiersprache für Quantencomputer

2020 entwickelten Forscher Sliq: eine leicht verständliche Hochsprachen-Programmiersprache für Quantencomputer.

Bei Quantenberechnungen müssen Entwickler meist mit frustrierenden Dingen umgehen – niedriges Abstraktionsniveau führt zu unübersichtlichem Code, temporäre Werte, die verworfen werden müssen, und mehr.

Zwar versuchen einige Quanten-Sprachen, dies zu umgehen, doch sie funktionieren relativ umständlich. Sliq hingegen unterstützt sichere, automatische Uncomputation, was intuitive Semantik ermöglicht.

Weitere faszinierende Fakten und Entdeckungen

14. Quantencomputing wurde erstmals 1959 von Richard Feynman in seinem berühmten Vortrag „There is plenty of room at the bottom“ erwähnt. Er betrachtete die Möglichkeit, einzelne Atome zu manipulieren, als erweiterte Form synthetischer Chemie.

15. Das weltweit erste Quanten-Schlüsselverteilungsprotokoll BB84 wurde 1984 von IBM-Forschern Gilles Brassard und Charles Bennett entwickelt. Es ist eine Technik, einen privaten Schlüssel sicher von einem Punkt zum anderen für One-Time-Pad-Verschlüsselung zu senden.

16. Februar 2018: Physiker schufen eine neue Lichtform mit dreiphotonischen gebundenen Zuständen in einem nichtlinearen Quantenmedium, die die Quantencomputing-Revolution antreiben könnte.

17. März 2018: Das Quantum Artificial Intelligence Lab – betrieben von Universities Space Research Association, NASA und Google – veröffentlichte einen 72-Qubit-Prozessor namens Bristlecone.

18. Ein realistisches Quantencomputing-Modell läuft auf Quantenalgorithmen, die nach Problemtyp oder verwendeter Technik/Idee kategorisiert werden können. Aktuell gibt es Algorithmen basierend auf Amplitudenverstärkung, Quanten-Fourier-Transformation und hybriden Quantenalgorithmen.

19. Mehrere Kandidaten werden verfolgt, um eine Quantenmaschine physisch umzusetzen. Die populärsten sind:

• Supraleitende und Ionenfallen-Quantencomputer
• Spin-basierte und räumlich-basierte Quantenpunkte
• Diamant-basierte Quantencomputer
• Hohlraum-Quanten-Elektrodynamik
• Molekulare Magnete

20. In einem Quantenzustand kodierte Daten können nicht kopiert werden. Versuchen Sie, diese Daten zu lesen, ändert sich ihr Quantenzustand. Dieses Feature kann genutzt werden, um Abhören bei Quanten-Schlüsselverteilung zu identifizieren.

21. Bisher haben fünf Unternehmen Quantenchips hergestellt – Google (Bristlecone), IBM (IBM Experience und Q), Intel (Tangle Lake), Rigetti (19Q) und D-Wave (Rainier).

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22. 2020 stellte ein Team der University of California, Los Angeles, einen neuen Rekord für die fehlerfreie Vorbereitung und Messung von Qubits in einem Quantencomputer auf. Genauer: Sie erreichten eine Vorbereitungs- und Messfehlerrate von 0,03 %. Das wird fast jeden Bereich der Quanteninformationswissenschaft beeinflussen.