Quantencomputer
Meist versteht man unter Quantencomputer Maschinen, die das Konzept eines klassischen Computers aufgreifen und in die Quantenwelt übertragen. Das heißt, aus Bits werden QuBits und aus logischen Gattern werden Quantengatter. Das ist jedoch nicht der bevorzugte Ansatz Quantencomputer zu nutzen.
Quantencomputer verarbeiten Informationen schneller, weil sie viele Operationen gleichzeitig ausführen und dabei das miteinander Wechselwirken von Quanten und Quanteneffekte wie Superposition oder Verschränkung ausnutzen. Dadurch können sie prinzipiell schneller Ergebnisse liefern. Man hat schon eine Beschleunigung um das 100-Millionenfache erreicht.
Quantencomputer, die auf den Eigenheiten der Quantenmechanik basieren, ermöglichen es, bestimmte Klassen von Problemen um ein Vielfaches schneller und effizienter zu berechnen als traditionelle Supercomputer. Der anderen Hardware geschuldet erfordern sie allerdings eine völlig andere Denkweise und deshalb eine andere Art der Programmierung.
Klassische Computer vs. Quantencomputer
Obwohl eine Namensähnlichkeit besteht, funktionieren beide sehr unterschiedlich.
Klassische Computer verarbeiten Informationen in Bits oder Bytes. Sie arbeiten mit logischen Schaltungen, die auf festgelegten Regeln basieren, und führen Berechnungen schrittweise und nacheinander aus. Durch parallele Verarbeitungseinheiten ist es möglich, die Verarbeitungsgeschwindigkeit zu steigern. Allerdings ist es nicht möglich, dass mehrere davon am selben Problem rechnen. Dazu müssten sie auf der innersten Ebene verbunden sein.
Quantencomputer nutzen Quanten bzw. kleinste Teilchen, die dank Quantenphänomenen wie Superposition und Verschränkung komplexe Berechnungen parallel durchführen können. Deshalb sind sie bei bestimmten Aufgaben (z. B. Faktorisierung großer Zahlen, Simulation von komplexen Systemen) deutlich leistungsfähiger als klassische Computer.
Quantencomputer sind dabei keine besseren Computer, sondern eher datenverarbeitende Elemente, die besonders gut darin ist, komplexe Transformationen, Berechnungen und Umformungen durchzuführen. Vor allem beim Nachbilden komplexer Prozesse und Systeme.
In einem Quantencomputer ist es NICHT möglich, Informationen lange zu speichern, oder Daten zu kopieren oder einzufügen, wie man das von einem klassischen Computer kennt. Stattdessen nutzen sie Quantenphänomene, um bestimmte Probleme sehr effizient zu lösen.
Herkömmliche Physik versus Quantenphysik
Die Quantenmechanik befasst sich in der Quantenphysik mit dem Verhalten und der Wechselwirkung kleinster Teilchen in der Natur. In der Welt der Quantenmechanik stoßen wir aber schnell an die Grenzen unserer Vorstellungskraft. Diese „kleinsten Teilchen“ verhalten sich anders, als es mit der klassischen Physik erklärbar ist.
Quanten und Quantenzustände
In der Quantenphysik befasst sich die Quantenmechanik mit dem Verhalten und der Wechselwirkung kleinster Teilchen in der Natur: die Quanten. In der Welt der Quanten stoßen wir aber schnell an die Grenzen unserer Vorstellungskraft. Diese Teilchen verhalten sich anders, als es mit der klassischen Physik erklärbar ist. Quanten können sich zum Beispiel simultan an mehreren Orten oder in verschiedenen Zuständen befinden.
Doch ausgerechnet bei einer Zustandsmessung nehmen Quanten einen anderen Zustand ein.
An dieser Stelle stellt sich die Frage, wie man mit diesem Verhalten Informationen verarbeiten kann. Wie will man mit einem Quant als Informationsträger arbeiten, dessen Zustand man eigentlich nie kennt?
Quantenbit (QuBit)
Ein Quantenbit oder QuBit ist die Grundeinheit in einem Quantencomputer, wie das digitale Bit in einem herkömmlichen Computer. Ein digitales Bit kann grundsätzlich zwei Zustände annehmen. Zum Beispiel in der Form 1 und 0 oder an und aus. In der Regel weisen auch Quantensysteme eine binäre Struktur auf. Ein Quantenbit wird aber mit einem Teilchen (Quant) realisiert, das alle möglichen Zustände und dann auch noch gleichzeitig annehmen kann.
Wie funktionieren Quantencomputer?
Die Funktionsweise eines Quantencomputers ist schwer zu beschreiben, weil es eine Vielzahl von Ansätzen gibt, die sich in der Entwicklung befinden. Zu den vielversprechendsten zählen Ionenfallen, Neutralatome, NV-Zentren (Stickstoff-Fehlstellen im Diamantgitter), Photonen und Festkörper-Spins. Derzeit ist noch unklar, welcher dieser Ansätze sich letztendlich durchsetzen wird. Es gilt herauszufinden, welches Verfahren sich am besten für spezifische Anwendungsfälle eignet, um das volle Potenzial der Quantentechnik auszuschöpfen.
Anwendungsfälle von Quantencomputer
Quantencomputer spielen nach heutigem Kenntnisstand bei drei Arten von mathematischen Problemen ihre Stärken aus:
- Faktorisierung: Zerlegung großer Zahlen in Primzahlen
- Suche in unstrukturierten Datenbanken
- Materialforschung oder Medikamentenentwicklung, wo man das Zusammenspiel von Molekülen simulieren möchte
- Finanzbranche, wo Portfolios oder Märkte analysiert
- Optimierung von Logistik, Verkehrssystemen und Lieferrouten
Das sind alles Probleme, bei denen viele Parameter und Verbindungen bestehen, die sich gegenseitig beeinflussen. Herkömmliche Computer sind zur Darstellung solcher komplexen Systeme nicht gebaut. Man kann das nur in gewissem Rahmen simulieren. Dann müssen die zusammenhängenden und sich beeinflussenden Parameter laufend nachberechnet werden.
Es ist wie in einem System aus Zahnrändern. Wenn ein Rädchen gedreht wird, dann drehen sich alle anderen Rädchen mit.
Quantenüberlegenheit und Quantenvorteil
- Von Quantenüberlegenheit spricht man bei der rein technischen Überlegenheit, auch bei einer Aufgabe ohne praktischen Nutzen.
- Von Quantenvorteil spricht man, wenn ein Quantencomputer praktisch relevante Probleme schneller oder besser löst als ein herkömmlicher Computer.
Die Quantenüberlegenheit (englisch: quantum supremacy) bezeichnet etwas, weshalb ein Quantencomputer eine Aufgabe schneller oder effizienter lösen kann als jeder derzeit bekannte klassische Computer. Gemeint ist, dass ein Quantencomputer eine bestimmte Berechnung so viel schneller ausführt, für die ein klassischer Computer realistisch tausende Jahre bräuchte. Dazu zählen Simulationen von komplexen Systemen, bestimmte algebraische Probleme oder Suchprobleme.
Leider sind viele Probleme, bei denen Quantencomputer theoretisch überlegen sind, nicht immer wirklich nützlich. Oft sind das konstruierte Aufgaben, um die Quantenüberlegenheit nachzuweisen, nicht um direkt nutzbar zu sein.
Das heißt, dass die Quantenüberlegenheit tatsächlich schon in der Praxis demonstriert wurde, aber das keinen praktischen Nutzen hatte. Deshalb geht man inzwischen dazu über, von Quantenvorteil zu sprechen.
Der Quantenvorteil (englisch: quantum advantage) bezieht sich sich auf Lösungen für praktisch relevante Probleme, die ein Quantencomputer besser als ein herkömmlicher Computer lösen kann.
Probleme
Quantenzustand kontrollieren: Grundsätzlich ist es schwierig Quantenzustände zu kontrollieren. Sie sind extrem labil und reagieren empfindlich auf Umwelteinflüsse, wie Lärm und Hitze, mit Nebeneffekten.
Außerdem unterliegen Quanten immer einer Wechselwirkung mit ihren direkten Nachbarn. Das bedeutet, ein Quantencomputer rechnet nicht exakt, sondern liefert nur möglicherweise ein richtiges Ergebnis. Das bedeutet, dass die Fehlerrate sehr hoch ist. Das Ziel ist, die Fehlerrate auf 10 hoch 4 und darunter zu reduzieren. Dann funktionieren bekannte Fehlerkorrekturverfahren effizient, was aber trotzdem zulasten der Rechenzeit geht.
Quantenzustand speichern: Schon nach wenigen Sekundenbruchteilen verlieren Quanten ihre Fähigkeit, Werte simultan zu speichern. Deswegen müssen die Quanten von der Außenwelt abgeschirmt und durch verschiedene Verfahren stabilisiert werden. Das ist sehr aufwendig und nur in begrenztem Rahmen möglich.
Quantencomputer im Alltag
Grundsätzlich werden Quantencomputer schon eingesetzt. Allerdings sind das riesige Systeme, die spezielle Probleme lösen und eher für Forschung und Entwicklung genutzt werden.
Der Weg zu einem im Alltag funktionierenden Quantencomputer ist noch weit. Weil die Zustände in einem Quantencomputer ständigen Veränderungen unterworfen sind, bedarf es einer Mathematik, die diese Veränderungen abbilden kann. Es gilt, die Mathematik für Quantencomputer neu zu erfinden.
Vielleicht werden reine Quantencomputer auch nie realisierbar sein. Denkbar wären hybride Prozessoren aus klassischem Halbleitern und einem speziellen Quantenchip. Das ist deshalb naheliegend, weil ein Quantencomputer zwar viel schneller, aber auch fehlerhafter rechnet, als ein herkömmlicher Computer. So könnte ein Quantencomputer für ein bestimmtes, sorgfältig gewähltes Problem beim maschinellen Lernen einer KI helfen, deren Ergebnisse auch nicht exakt sind, sondern sich nur in Wahrscheinlichkeiten abbilden lässt. Alle anderen Standard-Aufgaben werden weiterhin von herkömmlichen Prozessoren erledigt.
Verstehen muss man, dass viele Probleme mit einem Quantencomputer nicht oder nicht viel schneller gelöst werden können, als auf einem herkömmlichen Computer. Ein Quantencomputer wird einen herkömmlichen Computer auf absehbare Zeit nicht ersetzen. Ein Quantenchip kann einen herkömmlichen Prozessor nur als eine Art Coprozessor für spezielle Aufgaben ergänzen.
Vermutlich werden wir uns in Zukunft entscheiden müssen, ob wir etwas exakt und dafür langsam berechnet haben möchten, oder ob es schnell, aber eben auch fehlerhaft bzw. ungenau sein darf. Beide Techniken könnten sich bedarfsweise ergänzen.
Im Gegensatz zu anderen wissenschaftlichen Bereichen muss in der Quantenmechanik und insbesondere bei Quantencomputern noch viel Grundlagenforschung betrieben werden.
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