Im Fokus: Quantencomputer – Sowohl 1 als auch 0

Quantencomputer könnten die Rechenleistung auf ein völlig neues Level bringen und wären in der Lage hochkomplexe Berechnungen durchzuführen. In jeder Hinsicht birgt dies enormes Potenzial. 

Das Mooresche Gesetz beschreibt vereinfacht gesagt, dass sich die Rechenleistung heutiger Computer regelmäßig verdoppelt. Der Zeitraum liegt zwischen zwölf und 24 Monaten. Grund ist die fortschreitende Miniaturisierung von Transistoren, wodurch immer kleinere integrierte Schaltkreise realisierbar sind. Folglich können mehr Schaltkreise in konventionellen Mikrochips untergebracht werden. Bereits 1965, als die Computertechnik aus heutiger Sicht noch in den Kinderschuhen steckte, formulierte Gordon Moore diese Gesetzmäßigkeit. Sie verliert jedoch langsam an Gültigkeit, da moderne Herstellungsverfahren bei der Miniaturisierung an ihre Grenzen stoßen werden. Während die Rechenleistung klassischer Computer also etwas langsamer zunehmen wird, bedienen sich namhafte Firmen wie IBM und Google seit einigen Jahren quantenmechanischer Phänomene, um ein neues Computerzeitalter einzuläuten.

Mikrochips sind aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Sie stecken in Computern und Smartphones ebenso wie in Kaffeemaschinen und Autos. Dabei funktionieren sie alle nach dem gleichen Prinzip: Elektrische Schalter, die Transistoren, nehmen den Zustand 1 oder 0 an und stehen somit für kleinste binäre Informationseinheit in einem Computer, das Bit. Die Transistoren werden zu sogenannten Logikgattern verknüpft, die ihrerseits auch miteinander verknüpft werden. Die dadurch möglichen Rechenoperationen sind das Fundament für hochkomplexe Technologien bis hin zur künstlichen Intelligenz.

Die Miniaturisierung von Transistoren – ihre Größe liegt nur noch bei wenigen Nanometern – hat einen zusätzlichen Nebeneffekt, der die weitere Entwicklung begrenzt: Obwohl der Transistor eine physikalische Barriere besitzt, können einzelne Elektronen diese passieren, wodurch der Transistor nicht mehr eindeutig auf 1 oder 0 schalten kann. Dieser Tunneleffekt ist ein quantenmechanisches Phänomen, von dem die Entwickler der Quantencomputer profitieren.

Was machen Quantencomputer anders?

Die kleinste Informationseinheit in einem Quantencomputer ist das Quantenbit, kurz Qubit. Auch hier gibt es die Zustände 1 und 0. Das Bit kann jedoch nur entweder den Zustand 1 einnehmen oder den Zustand 0. Beim Qubit sind sowohl 1 als auch 0 möglich. Diese Überlagerung zweier Zustände nennt man in der Quantenmechanik Superposition, die solange gilt, bis der Zustand gemessen wird. Genau dann ist er nämlich mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit 1 oder 0. Die Superposition steigert den Informationsgehalt der Qubits gegenüber herkömmlichen Bits und lässt parallele Rechenoperationen zu. Mit jedem weiteren Qubit vervielfachen sich diese Rechenoperationen exponentiell.

Ein weiterer quantenmechanischer Effekt ist die Verschränkung von Qubits. Zwei miteinander verschränkte Qubits verhalten sich, als wenn sie verbunden wären. Sie nehmen immer denselben Zustand ein, so dass auch eine indirekte Messung der Partnerqubits möglich ist. Die Kombination aus Superposition und Verschränkung erlaubt Rechenoperationen auf Basis von Qubits, und zwar mit bisher ungeahnter Rechenleistung. Analog zu den Logikgattern in Transistoren, sind hier Quantengatter erforderlich, die physikalische Manipulationen direkt am Qubit vornehmen: Sie erzeugen Superpositionen, verändern die Wahrscheinlichkeiten, mit denen ein Qubit einen Zustand einnimmt, und verschränken Qubits miteinander. Auf diese Weise lassen sich dieselben Berechnungen anstellen wie mit Bits. Letztere arbeiten sequentiell, also nacheinander. Qubits aber sind in der Lage alle erdenklichen Operationen parallel auszuführen.

Eine große Herausforderung für Entwickler von Quantencomputern ist bisher die hohe intrinsische Fehleranfälligkeit der Qubits. Eine Antwort hierauf ist die Quantenfehlerkorrektur. In seinem Vortrag „Der Quantencomputer: Vision und Wirklichkeit“ auf der BASTA! Jubiläumskonferenz von 2017 erklärt Dr. Michael Marthaler vom Karlsruher Institut für Technologie, wie diese Korrektur aussehen könnte: Durch die Verknüpfung vieler echter, physikalischer Qubits, von denen jeder einen gewissen Fehler ausweist, könne man eine Redundanz erzeugen, um so einen logischen Qubit mit reduzierter Fehlerrate zu erhalten.

Was können Quantencomputer verändern?

Die Natur gehorcht quantenmechanischen Gesetzen. Der Physiker Richard P. Feynman vertrat Anfang der 80er Jahre im International Journal of Theoretical Physics die Meinung, dass eine Simulation der Natur daher nur mit Hilfe quantenmechanischer Systeme möglich sei. Auch wenn Quantencomputer bisher keine praktischen Aufgaben lösen, können ihre Entwickler heutzutage schon sehr viel konkreter werden bezüglich potenzieller Einsatzmöglichkeiten. Ein oft angeführtes Feld ist die Kryptographie. Sie basiert auf der Primfaktorzerlegung. Herkömmliche Rechner können im Nu Primzahlen multiplizieren, brauchen aufgrund ihrer sequenziellen Arbeitsweise jedoch enorm viel Zeit um große Zahlen in deren Primfaktoren zu zerlegen. Ein Quantencomputer, der alle erdenklichen Rechenwege gleichzeitig durchführen kann, ist dem konventionellen Computer hier haushoch überlegen. Gleiches gilt für die Suche in Datenbanken. Er geht nicht Schritt für Schritt durch alle Einträge, sondern erfasst alle gleichzeitig und gelangt so schneller ans Ziel.

Zur Consumer Electronics Show in Las Vegas hat IBM den ersten kommerziellen Quantencomputer, den IBM Q, vorgestellt. Das Modell mit 20 Qubits soll Kunden in Forschung und Wirtschaft ansprechen, ist jedoch nur ein Anfang von dem, was noch kommen soll. Die Leistung des IBM Q reiche nämlich noch nicht für die Anwendungen aus, die man sich langfristig erhoffe, heißt es bei Techcrunch. IBM versteht den IBM Q als großen Schritt in Richtung Kommerzialisierung von Quantencomputern.

Das Quantum Artificial Intelligence Lab von Google hat 2018 Bristlecone vorgestellt. Mit 72 Qubits gehört der Quantencomputer zu den aktuell leistungsstärksten. Hartmut Neven, Leiter dieses Labors, möchte mit seinem Team in naher Zukunft zeigen, dass Quantencomputer auch in der Praxis schneller sind als jeder herkömmliche Rechner. Dabei gehe es zunächst um einfache mathematische Probleme, aber langfristig sieht er ganz praktische Anwendungsbereiche – eben dort, wo Ingenieure Optimierungsprobleme lösen müssen. Als Beispiele nennt Hartmut Neven dem Magazin fudder von der Badischen Zeitung unter anderem die Berechnung eins optimalen cw-Wertes im Automobilbau oder die Effizienzsteigerung von Elektromotoren. Herkömmliche Computer würden hierfür immens viel Rechenleistung und möglicherweise Jahre benötigen, um ein brauchbares Ergebnis auszugeben. „Ein Quantenprozesser könnte solche Sachen – wenn alles so läuft, wie wir uns das vorstellen – in einem Bruchteil der Zeit machen."

 

Bild © Sakkmesterke | Dreamstime.com
Autor / Quelle: Sascha Dietze
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