Quantencomputer
Quantencomputer basieren auf den Eigenheiten der Quantenmechanik. Die Quantenmechanik befasst sich in der Quantenphysik mit dem Verhalten und der Wechselwirkung kleinster Teilchen in der Natur. Im Gegensatz zu anderen wissenschaftlichen Bereichen muss in der Quantenmechanik und insbesondere bei Quantencomputern noch viel Grundlagenforschung betrieben werden.
Den heutigen Rechnersystemen sind durch die Gesetze der klassischen Physik Grenzen gesetzt. Bei herkömmlichen Schaltkreisen, die nur wenige Atome dick sind, treten Effekte auf, die zu Fehlfunktionen führen können. Die Wissenschaft ist deshalb auf der Suche nach kleineren und beherrschbaren Strukturen. Dabei ist man bei der Quantenmechanik gelandet.
Ein Quantencomputer kann viele Operationen gleichzeitig ausführen, bei denen auch örtlich voneinander entfernte Quantenbits miteinander wechselwirken können. Dabei hat man eine Beschleunigung um das 100-Millionenfache erreicht.
Quanten und Quantenzustand
Quanten sind Teilchen, die sich an zwei unterschiedlichen Orten oder in zwei oder mehr unterschiedlichen Zuständen gleichzeitig befinden können. Quantenobjekte verhalten sich also völlig anders, als wir es gewohnt sind.
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. 1 oder 0. An oder Aus. In der Regel weisen auch Quantensysteme eine binäre Struktur auf. Ein Quantenbit wird aber mit einem Teilchen (Quant) realisiert, das alle möglichen Zustände annehmen kann. Man spricht dann von der Überlagerung oder Superposition. Und ausgerechnet bei einer Zustandsmessung nehmen Quanten wieder einen anderen Zustand ein.
An dieser Stelle stellt sich die Frage, wie man mit diesem Verhalten Informationen verarbeiten kann. Wie will man mit einem Quantenbit arbeiten, dessen Zustand man eigentlich nie kennt?
Verarbeitung von Quantenbits
Bei der Nutzung der Superposition überlagern sich mehrere Zustände in einem Quantenbit. Das Quantenbit muss nicht entweder 0 oder 1 sein, sondern kann beides gleichzeitig sein. Quantencomputer, die sich das zunutze machen, können viel schneller ein Ergebnis berechnen, als ein herkömmlicher Computer.
Durch sogenannte Quantengatter werden Quanten miteinander verknüpft, um Informationen verarbeiten zu können. Diese Verknüpfung wird in der Quantenmechanik als Verschränkung bezeichnet. Zwei Teilchen, die einmal miteinander interagiert haben, sind von diesem Zeitpunkt an miteinander verbunden, auch wenn sie kilometerweit voneinander entfernt sind. Verändert sich das eine Teilchen, wird sich auch das andere verändern. Diese Verschränkung ermöglicht es Quantencomputern, sämtliche Schaltvarianten gleichzeitig auszuführen.
Durch diese Eigenschaft (Verschränkung der Quanten) können Quantencomputer Aufgaben lösen, für die herkömmliche Computer zu lange brauchen.
Probleme
Grundsätzlich ist es schwierig Quantenzustände zu kontrollieren. Sie sind extrem labil und reagieren empfindlich auf Umwelteinflüsse, wie Lärm und Hitze, mit Nebeneffekten.
Außerdem unterliegen Quantenbits immer einer Wechselwirkung mit ihren direkten Nachbarn. Das bedeutet, ein Quantencomputer rechnet nicht exakt, sondern liefert 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.
Wie werden Quantencomputer realisiert?
Für einen vollständigen Quantencomputer braucht es einen festgelegten Satz aus Ein- und Zwei-Quantenbit-Gattern. Gatter sind logische Verknüpfungen, wie sie aus der Digitaltechnik bekannt sind. Zum Beispiel UND, ODER, NICHT, usw. Daraus lässt sich dann jede beliebige Rechenoperation zusammensetzen.
Beispiel 1: Quantenbits lassen sich in Form von supraleitenden Schleifen auf Halbleiterchips realisieren. Dafür braucht man aber Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273,15 Grad Celsius). Der Zustand der Quantenbits bleibt auch nur für den Bruchteil einer Sekunde bestehen.
Beispiel 2: Quantenbits lassen sich in Form von Ionen in Ionenfallen realisieren. Ionenfallen haben eine Dekohärenzzeit von einigen Minuten. So lange können sie eine Superposition bei Raumtemperatur aufrecht erhalten.
Aktuell liegt die Aufgabe in der Entwicklung von Quantencomputern darin, die Fehlerrate zu verringern und die notwendigen Quantengatter aufzubauen. Aufgrund der fragilen Natur eines solchen quantenmechanischen Systems ist es jedoch äußerst schwierig, Quantencomputer zu konstruieren.
Quantencomputer im Alltag
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 Halbleiter und einem 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. 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. Eine Quantenchip kann einen herkömmlichen Prozessor als eine Art Ko-Prozessor 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 sein darf. Beide Techniken könnten sich bedarfsweise ergänzen.
Anwendungen
- Faktorisierung
- Suche in großen Datenbeständen
- Optimierung mit vielen Parametern
- Medikamentenforschung
- Berechnung von Klimamodellen
- Quantencomputer in der Cloud
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