Quantencomputer und -simulation

Quantencomputer sind vermutlich die weitreichendste Innovation der quantentechnologischen Anwendungen. Sie funktionieren prinzipiell anders als herkömmliche digitale Rechner.

Im Unterschied zu den Bits von Digitalrechnern sind die kleinsten Recheneinheiten eines Quantencomputers, die „Quantum Bits“ (Qubits), in der Lage, sich untereinander nach speziellen Gesetzmäßigkeiten der Quantenmechanik zu verbinden und damit einen wesentlich komplexeren Gesamtzustand anzunehmen. Man spricht dann von „Verschränkung“. Diese Verschränkung der Qubits zu einem Gesamtzustand ist eine einzigartige Eigenschaft von Quantencomputern.

Universell einsetzbare Computer vs. Simulatoren für konkrete Fragen

Viele Aufgaben lassen sich mit herkömmlichen Digitalrechnern nicht zufriedenstellend lösen. Sie sind dadurch gekennzeichnet, dass zahlreiche Bedingungen in einem komplexen wechselseitigen Zusammenspiel berechnet werden müssen. Beispiele sind die schnelle Suche in riesigen Datenmengen oder die Optimierung großer logistischer Systeme wie Verkehrsnetze oder Stundenpläne. Wenn es gelingt, die Verschränkungszustände in Quantencomputern so einzustellen, dass sie solch komplexen Aufgaben entsprechen, könnten sie diese viel schneller lösen als herkömmliche Digitalcomputer.

Neben universell programmierbaren Computern werden auch Quantensimulatoren für praxisrelevante Quantenphänomene, beispielsweise in der Chemie oder der Pharmazie, möglich. Sie sind zwar weniger flexibel einsetzbar und nur für bestimmte Arten von Problemen geeignet, dafür könnten sie aber wesentlich früher einen Nutzen für konkrete Anwendungen liefern.

Je mehr Qubits, desto empfindlicher das System

Die Realisierung von Quantencomputern und -simulatoren ist mit außerordentlichen Herausforderungen verbunden. Für die Anwendung ist die Skalierbarkeit eines Systems entscheidend. Sie stellt gleichzeitig die höchste technische Schwierigkeit dar, da mit einer steigenden Anzahl verschränkter Qubits deren Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen steigt – und die Verschränkung meist schon nach kurzer Zeit abnimmt.

Erste interessante Problemstellungen, bei denen der Quantencomputer als einem klassischen Rechner überlegen erwartet wird, benötigen wenigstens 50 logische Qubits. Je nach verwendeter Hardware und erforderlicher Fehlerkorrektur können hierfür jedoch mehrere tausend physikalische Qubits erforderlich sein. Ein Beispiel: Um das Brechen heu­tiger Public-Key-Kryptografieverfahren durchführen zu können, wären Quantencomputer mit einigen Tausend Qubits erforderlich. Zunächst stehen deshalb vor allem solche Anwendungen im Blickpunkt, die sich schon mit wenigen Hundert Qubits bearbeiten lassen.

Anwendung im Blick: Wissenschaft und Wirtschaft forschen gemeinsam

Auf dem Weg zu Quantencomputern ist die Entwicklung spezieller Algorithmen mindestens ebenso wichtig wie die Hardwareentwicklung. Für die Erforschung von Quantenalgorithmen ist es dabei nicht zwingend erforderlich, dass bereits Quantencomputer existieren. Denn man kann diese bis zu einem gewissen Grad (und einer bestimmten Größe) mit herkömmlichen Digi­talrechnern simulieren. Entsprechende Arbeiten sind auch deshalb wichtig, weil derzeit noch sehr unterschiedliche Hardwareplattformen und Architek­turen für Quantencomputer diskutiert werden. Die Vor- und Nachteile der verschiedenen Plattformen und Architekturen müssen mit Quantenalgorithmen auf klassischen Rechnern überprüft und verglichen werden.

Das große Potenzial macht die langfristig ausgelegte Erforschung des Quantencomputers trotz aller Unwägbarkeiten lohnenswert. Insbesondere bei Anwendungen wie der Mustererkennung, dem maschinellen Lernen oder auch der Lösung von Optimierungsproblemen könnten Quantencomputer einen enormen Vorteil liefern. Deshalb beschäftigen sich große IT-Konzerne wie IBM, Google, Microsoft oder Intel sowie einige fremdkapitalfinanzierte Startups bereits heute mit dem Thema.

Während in den letzten Jahren fast ausschließlich Forschungseinrichtungen die Arbeit an Quantencomputern vorangetrieben haben, wird heute zunehmend das Mitwirken potenzieller Anwender nötig. In Kooperationen können Wissenschaft und Wirtschaft Problemstellungen definieren, um zielgerichtet Algorithmen zu erforschen und die Einschränkungen der unterschiedlichen Hardwareansätze zu bewerten. Perspektivisch wird es zudem wichtiger, die verschiedenen Ansätze auch unter ökonomischen Gesichtspunkten zu bewerten.

Genauer hingeschaut: Qubits

Die kleinsten Recheneinheiten klassischer Computer, die Bits, lassen nur die Werte 0 und 1 zu. Im Gegensatz dazu verwendet der Quantencomputer Qubits (Quantenbits) für Rechenoperationen. Einem Qubit kann dabei mehr als nur ein fester Wert wie 0 und 1 zugeordnet werden. Es kann sich in einer Art Mischzustand zwischen 0 und 1 befinden. In der Quantenphysik wird dieser Zustand als „Superposition“ bezeichnet.

Die Verwendung von Qubit-Quantenschaltern anstelle von klassischen 2-Zustand-Schaltern bringt allerdings für sich genommen noch keinen besonderen Vorteil. Dazu bedarf es zusätzlich der kontrollierten Nutzung eines weiteren Quantenphänomens, der sogenannten Verschränkung. Diese wird erzeugt, indem mehrere Qubits quantenmechanisch so miteinander gekoppelt werden, dass sie sich in Bezug auf alle möglichen Endzustände in einer Art kollektiver Superposition befinden. Während also zwei klassische Bits nur eine von vier möglichen Binärzahlen (00, 01, 10, 11) darstellen können, besitzen zwei verschränkte Qubits gleichzeitig Eigenschaften aller vier Zustände. Diese Parallelität stellt den entscheidenden Unterschied bzgl. der Leistungsfähigkeit dar.

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