Quantencomputing: Ein bahnbrechender Ansatz in der Computertechnologie
Im Gegensatz zu konventionellen Computern, die Daten mittels Bits verarbeiten, verwenden Quantencomputer sogenannte Quantenbits oder Qubits. Ein herkömmliches Bit kann entweder den Zustand 0 oder 1 annehmen, während ein Quantenphänomen die beiden Zustände gleichzeitig einnehmen kann. Quantencomputer können eine Vielzahl von Berechnungen parallel durchführen, was sie möglicherweise in der Lage macht, komplexe Aufgaben zu bewältigen, wie zum Beispiel Kryptographie oder komplexe Simulationen.
Das Prinzip von Qubits
Ein Qubit ist vergleichbar mit einer Münze, die in der Luft hängt. Es repräsentiert gleichzeitig Kopf und Zahl bis zum Zeitpunkt seiner Messung, was den endgültigen Zustand bestimmt. Ein Quantencomputer kann Berechnungen auf eine Weise durchführen, die herkömmlichen Rechnern nicht möglich ist. Ein weiteres Quantenphänomen ermöglicht es, dass der Zustand eines Qubits unmittelbar den Zustand eines anderen beeinflussen kann, unabhängig von seiner räumlichen Distanz.
Dieses Ereignis nennt man auch «Quantenverschränkung». Eine Verschränkung kann entstehen, wenn zwei Qubits miteinander wechselwirken, z. B. über ihre Magnetfelder. Die Quantenverschränkung findet dann statt, wenn die Qubits in Superposition, also dem Zwischenzustand sind. Mit der Verschränkung können grössere Mengen von Superpositionen dargestellt werden. Ein Phänomen, das dabei auftritt, hat Albert Einstein "Spukhafte Fernwirkung" genannt und bereitet Physiker*innen und Philosoph*innen Kopfzerbrechen: Verschränkte Quantenbits sind abhängig voneinander. Wird der Zustand eines Quantenbits durch eine Messung festgelegt, werden zeitgleich auch alle Partner beeinflusst. Sogar dann, wenn beide räumlich getrennt und sogar kilometerweit auseinander sind.
Kontinuierlicher Vorsprung durch Qubits
Mit zwei Bits kann ein normaler Computer die Zahlen von 0 bis 3 darstellen. Die beiden Bits [0,0] ergeben die Zahl 0, mit [0,1] ist die Zahl 1 gemeint. Mit [1,0] die Zahl 2 und mit [1,1] die 3. Zwei Bits können in einem klassischen Computer immer nur eine Zahl auf einmal darstellen. In einem Quantencomputer kann ein Qubit dagegen unendlich viele verschiedene Zustände annehmen und das gleichzeitig. Die vier Zustandskombinationen, die die Zahlen 0 bis 3 darstellen, können theoretisch also durch nur einen Qubit und zur selben Zeit dargestellt werden. Der Quantencomputer ist deshalb deutlich schneller. Momentan ist die Praxis allerdings noch nicht so weit und es sind nur wenige Qubit-Zustände nutzbar.
Doch selbst wenn man von nur zwei verschiedenen Zuständen ausgeht, die ein Qubit gleichzeitig einnehmen kann, dann verdoppelt jedes dazukommende Qubit die Anzahl der gleichzeitig darstellbaren Zustände. Dieser Vorteil wächst exponentiell: Drei Qubits können schon 8 Zustände gleichzeitig einnehmen, 300 Qubits sogar 2 hoch 300 = 203703597633448608626844568840937816105146839366593625063614044935438129976333 6706183397376. Das ist eine grössere Zahl, als Teilchen im Universum existieren. Für einen klassischen Computer eine nicht zu bewältigende Aufgabe. An diesem Beispiel erkennt man den uneinholbaren Vorteil, den Quantencomputer prinzipiell haben.
Herstellung und Konstruktion von Qubits
Qubits können auf unterschiedliche Weise hergestellt werden. Um Qubits zu erzeugen, stehen unterschiedliche Methoden zur Verfügung. Gewöhnlich werden geladene Atome, die Ionen, in magnetische und elektrische Felder eingesperrt. In dieser «Ionen-Falle» können die Ionen mit Mikrowellenstrahlung in verschiedene Zustände gebracht und so mit Informationen geladen werden. Auch das Ablesen des Ergebnisses ihrer Berechnung erfolgt mittels Mikrowellenstrahlung. Jedes einzelne Ion in der Falle ist dabei ein Qubit. Es gibt aber auch noch andere Möglichkeiten, Qubits zu erzeugen: So arbeitet Google mit Quantenchips, auf denen schwache Ströme auf winzigstem Raum im Kreis fliessen. Wie eine einzelne Welle, die in einem kreisrunden Wellentunnel wandert. Jeder Kreisstrom stellt dabei ein Qubit dar und kann ähnlich wie Ionen mit Mikrowellenstrahlung in verschiedene Zustände gebracht und auch wieder ausgelesen werden. Andere Forschende experimentieren auch mit Photonen, also mit Lichtteilchen, als physikalische Umsetzung von Qubits.
Herausforderungen beim Entwurf von Quantencomputern
Wissenschaftler stehen immer vor grossen technischen Herausforderungen. Die Bewegung ist eines der Hauptprobleme: Teilchen mit Energie beginnen zu wackeln, ein Phänomen, das wir als Wärme kennen. Es ist notwendig, dass diese Teilchen extrem gekühlt werden, bis auf den absoluten Nullpunkt (-273,15 Grad Celsius). Dies erfordert aufwändige Kühlmaschinen und macht deutlich, warum Quantencomputer nicht bald in Alltagsgeräten wie Smartphones zu finden sein werden.
Zuverlässigkeit und Programmierung von Qubits
Qubits sind sehr empfindlich und jede Störung kann ihren Quantenzustand zerstören. Sie müssen gegen Erschütterungen, Magnetfelder und andere äussere Einflüsse geschützt werden. Trotz hervorragender Isolation sind Qubits nur für Bruchteile von Sekunden stabil, weshalb es notwendig ist, Berechnungen zügig abzuschliessen. Um leistungsfähige Quantencomputer zu entwickeln, ist es notwendig, die Anzahl der funktionierenden Qubits und ihre Fehleranfälligkeit zu reduzieren.
Noch sind Quantencomputer schwer zu programmieren
Die Programmierung von Quantencomputern erfordert ein Umdenken, da sie nach den Gesetzen der Quantenphysik arbeiten. Ein Qubit hat vor der Messung nur einen Wahrscheinlichkeitswert. Das Programmieren von Quantencomputern ähnelt einem Becher voller Würfel, dessen Inhalt während des Schüttelns unbekannt ist und erst nach dem Auskippen eindeutig wird. Es geht darum, die Interaktionen der Qubits so zu steuern, dass am Ende ein sinnvolles Ergebnis erzielt wird.
Kombination aus beiden Welten
Bis es frei programmierbare Quantencomputer geben wird, müssen Quantencomputer jeweils für spezielle Probleme explizit konstruiert und mit herkömmlichen Computern gekoppelt werden. Der Quantencomputer führt dann die Berechnungen durch, bei denen er seine Stärke voll ausspielen kann, und alles andere übernimmt der klassische Computer. Die kanadische Firma D-Wave baut seit etwas über zehn Jahren solche Mischcomputer. Mittlerweile sollen sie bis zu 2048 Qubits enthalten. Es handelt sich dabei aber um wenig flexible Systeme, die nicht frei programmierbar sind. Sie werden vor allem für verschiedene Optimierungsverfahren getestet.
Gefahren von Quanten Computern
Derzeit speichern einige Staaten und einzelne Akteure viele verschlüsselte Daten wie Passwörter, Bankdaten und Sozialversicherungsnummern, obwohl sie diese Dateien nicht öffnen können. Warum tun sie das? Nun, sie glauben, dass sie in den nächsten Jahren Zugang zu einem Quantencomputer haben werden, der die Verschlüsselung in Minuten knacken kann. Dieses Verfahren ist bekannt als «Store Now, Decrypt Later» oder SNDL. Es funktioniert, weil es Informationen gibt, die heute vorhanden sind und auch in einem Jahrzehnt noch wertvoll sein werden, wie industrielle und pharmazeutische Forschung sowie streng geheime Regierungsinformationen. Die National Security Administration der USA sagt, dass ein ausreichend grosser Quantencomputer, wenn er gebaut wird, in der Lage wäre, alle uns bekannten Verschlüsselungs-Algorithmen innert kürzester Zeit zu entschlüsseln.
In 2012 schätzte man, dass es etwa eine Milliarde physischer Qubits benötigen würde, um die RSA-Verschlüsselung zu brechen, aber fünf Jahre später war diese Zahl auf 230 Millionen gesunken. Und nach weiteren technologischen Durchbrüchen in 2019 fiel diese Schätzung auf nur noch 20 Millionen physischer Qubits. Wie viele Qubits sind also derzeit verfügbar? Nun, wenn wir den Stand der Quantencomputer von IBM betrachten, sind wir noch lange nicht bei dieser Anzahl von Qubits, aber der Fortschritt scheint exponentiell zu sein. Es ist nur noch eine Frage, wann diese beiden Kurven zusammenstossen werden, bevor alle unsere bestehenden Verschlüsselungsverfahren entschlüsselt werden können.
Anwendungen und Perspektiven
Die Möglichkeiten für Quantencomputer sind vielfältig und revolutionär. Quantencomputing könnte in der Kryptographie dazu beitragen, bestehende Sicherheitssysteme zu überwinden oder neuartige, praktisch unknackbare Verschlüsselungsmethoden zu entwickeln. In der Materialwissenschaft könnten Forscher mithilfe von Quantencomputern neuartige Materialien mit massgeschneiderten Eigenschaften entwickeln. Die Modellierung komplexer Moleküle könnte in der Pharmaindustrie dazu beitragen, neue Medikamente schneller zu entwickeln.
Es stellt die Wissenschaft vor grosse Herausforderungen, diese Technologie aus dem Labor in die Praxis umzusetzen. Trotz der Herausforderungen ist das Interesse an Quantencomputern ungebrochen, da ihre Fähigkeit, Probleme zu lösen, weit über das hinausgeht, was mit herkömmlichen Computern möglich ist. Quantencomputing könnte in vielen Bereichen bahnbrechend sein, angefangen von der Materialwissenschaft über die Pharmaforschung und der Logistik. Trotz der Herausforderungen könnte diese Technologie eine neue Ära der Datenverarbeitung eröffnen, die unsere Problemlösungsmethoden und Informationsverarbeitung grundlegend verändern wird.
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Quelle:
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