Quantencomputer und -simulation

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

Optimierungsaufgaben mit vielen Variablen oder die Analyse komplexer Prozesse überschreiten die Kapazität jedes Supercomputers. Ein Beispiel: Stickstofffixierung, die Umwandlung elementaren Stickstoffs, ist als wichtiger Bestandteil der Düngemittelproduktion für die Welternährung unerlässlich. In der Industrie funktioniert der Prozess nur bei hohem Druck und hohen Temperaturen und macht etwa ein Prozent des jährlichen weltweiten Energieverbrauchs aus. Die Natur dagegen schafft Stickstofffixierung unter Umgebungsbedingungen. Wir würden gerne verstehen, wie das funktioniert, doch bei der Analyse dieses Prozesses stoßen heutige Computer an ihre Grenzen.

Der revolutionäre Ansatz von Quantencomputern eröffnet neue Wege bei der Entwicklung von Prozessen und Materialen, aber auch bei der Analyse von Finanzmärkten oder der Optimierung von Verkehrsflüssen. Grundlage dafür sind Quantenbits (Qubits), die kleinste Recheneinheit eines Quantencomputers. Im Gegensatz zu den Bits eines herkömmlichen Computers, die nur in den Zuständen 1 und 0 existieren, kann ein Quantenbit beliebig viele Überlagerungen aus 1 und 0 einnehmen. Zudem lassen sich Qubits untereinander „verschränken“. Das heißt, sie können einen gemeinsamen Gesamtzustand einnehmen. Diese Eigenschaften machen Quantencomputer zu einem parallelen Analogrechner, der für die genannten Aufgaben prädestiniert ist.

Neben universell programmierbaren Computern werden auch sogenannte Quantensimulatoren immer relevanter. Mit ihnen lassen sich praxisrelevante Quantenphänomene beispielsweise in der Chemie oder der Pharmazie simulieren. Sie sind zwar weniger flexibel und nur für bestimmte Probleme geeignet, könnten dafür aber wesentlich früher für konkrete Anwendungen nutzbar sein.

Herausforderungen auf dem Weg

Quantencomputer zu entwickeln, ist eine enorme technologische Herausforderung. Ein anwendbares System muss skalierbar sein, das heißt auch in größerem Maßstab funktionieren. Genau das ist aber die größte Schwierigkeit. Denn die Qubits sind sehr empfindlich gegenüber Umweltweinflüssen – und je mehr Qubits ein System hat, desto empfindlicher wird es. Ein robuster Quantencomputer erfordert daher eine ständige Fehlerkorrektur, was über den heutigen Stand der Technik hinausgeht. Hinzu kommt, dass aktuell unterschiedliche technologische Ansätze wie beispielsweise supraleitende Schaltkreise, Ionenfallen oder Halbleiter entwickelt und untersucht werden. Es ist noch nicht klar, welcher dieser Ansätze am besten für funktionsfähige Quantencomputer geeignet ist.

Auf dem Weg zu Quantencomputern ist die Entwicklung spezieller Algorithmen genauso wichtig wie die Hardwareentwicklung. Teilweise kann spezielle Software Schwächen der Hardware kompensieren und somit die Effizienz verbessern. Quantenalgorithmen lassen sich auch erforschen, bevor Quantencomputer existieren. Denn man kann diese bis zu einem gewissen Grad und einer bestimmten Größe mit herkömmlichen Rechnern simulieren. Auch in diesem Bereich steht die Forschung jedoch noch am Anfang und ist auf der Suche nach Algorithmen für die unterschiedlichsten Fragestellungen.

Das Rennen um den Computer der Zukunft

International führend in der Entwicklung von Quantencomputern sind amerikanische Techkonzerne wie Google oder IBM. Kürzlich demonstrierte Google anhand einer eigens dafür kreierten Aufgabe erstmals die Überlegenheit eines kleinen Quantencomputers. Auch China investiert Milliarden in die Erforschung von Quantencomputern. Die Entwicklung eines Quantencomputers mit umfassender Praxisrelevanz wird noch weit über zehn Jahre dauern und erfordert kontinuierliche, ergebnisoffene Forschung.

Während anfänglich fast ausschließlich Forschungseinrichtungen die Arbeit an Quantencomputern vorangetrieben haben, wirken zunehmend auch potenzielle Anwender mit. In Kooperationen können Wissenschaft und Wirtschaft Problemstellungen definieren, um zielgerichtet Algorithmen zu erforschen und die unterschiedlichen Hardwareansätze zu bewerten. Perspektivisch wird es außerdem wichtiger, die verschiedenen Ansätze auch unter ökonomischen Gesichtspunkten zu bewerten.
Deutschland hat in diesem Wettbewerb trotz fehlender Techkonzerne eine gute Ausgangsposition. Eine starke Grundlagenforschung, mittelständische Zuliefererfirmen und potenzielle Anwender sind hier angesiedelt. Ein stabiles Netzwerk aus Wirtschaft, Wissenschaft und öffentlicher Hand bietet die Chance auf eine Schlüsselrolle in diesem zukunftsweisenden Technologiefeld.

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 Schaltern bringt allein noch keinen Vorteil. Dazu muss ein weiteres Quantenphänomen genutzt werden – die sogenannte Verschränkung. Dazu koppelt man mehrere Qubits quantenmechanisch so miteinander, dass sie sich in einer Art gemeinsamer Superposition befinden. Während also zwei klassische Bits nur eine von vier möglichen Binärzahlen (00, 01, 10, 11) darstellen können, besitzen zwei miteinander verschränkte Qubits gleichzeitig Eigenschaften aller vier Zustände. Diese Parallelität ist der entscheidende Unterschied zu klassischen Rechnern und macht Quantencomputer extrem leistungsfähig.

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