Wie funktioniert ein Quantencomputer?

Wann erfolgt der Durchbruch, wie ist der Stand der Forschung?

Quantencomputer können die Entwicklung der Wissenschaften vorantreiben und neue Durchbrüche erzielen. Mit diesem Computer ist es zum Beispiel möglich, Medikamente zur Rettung von Menschenleben oder Methoden des maschinellen Lernens zur schnelleren Diagnose von Krankheiten zu entwickeln. Quantencomputer eigenen sich zur Herstellung von Materialien, effizienteren Geräten und Strukturen. Sie ermöglichen die Entwicklung finanzieller Strategien für ein gutes Leben im Ruhestand und Algorithmen zur raschen Steuerung von Ressourcen wie den Einsatz von Rettungsfahrzeugen. Aber was genau ist Quantencomputing und was ist notwendig, um diese Quantendurchbrüche zu erzielen? Hier sind die Antworten.

Was ist ein Quantencomputer?

Anstelle von Bits, die herkömmliche Computer verwenden, verwendet ein Quantencomputer Quantenbits, sogenannte Qubits. Die Unterschiede lassen sich anhand einer Kugel veranschaulichen. Ein digitales Bit kann sich an einem der beiden Pole der Kugel befinden, ein Qubit kann jedoch an jedem Punkt der Kugel vorhanden sein. Dies bedeutet, dass ein Computer, der Qubits verwendet, eine sehr große Menge an Informationen speichern kann. Dabei verbraucht er sogar weniger Energie als ein klassischer Computer.

Um den Zustand der Qbits zu manipulieren werden drei quantenmechanische Eigenschaften verwendet: Überlagerung, Verschränkung und Interferenz.

• Überlagerung – So wird eine Kombination von Zuständen genannt, die wir normalerweise unabhängig beschreiben. Werden in der Musik zwei Noten gleichzeitig gespielt, hören wir die Überlagerung beider Noten.
• Verschränkung – Dieses Phänomen der Quantenphysik beschreibt ein Verhalten verschränkter Teilchen, das sich mit der klassischen Physik nicht erklären lässt.
• Interferenz – Dieses Phänomen gleicht einer Wellen-Interferenz der klassischen Physik. Wenn zwei Wellen in einer Phase sind addieren sich die Amplituden, wenn nicht, können sich die Amplituden aufheben.

Durch den Einstieg in diesen Quantenbereich, in dem die traditionellen Gesetze der Physik nicht mehr gelten, können wir Prozessoren erstellen, die bedeutend schneller sind (millionenfach oder mehr) als die, die wir heute verwenden. Hört sich fantastisch an, doch die Komplexität des Quanten-Computings ist immer noch eine Herausforderung.

Historie des Quantencomputers

Wir müssen nicht zu weit zurückgehen, um die Ursprünge des Quantencomputers zu finden. Während die Arbeitsweisen digitaler Rechner schon seit 1837 bekannt sind, erschienen die ersten universell programmierbaren Geräte während des zweiten Weltkrieges oder kurz danach. Quantencomputer gibt es erst seit den 80ger-Jahren des 20. Jahrhunderts bzw. genauer gesagt gibt es seitdem die Theorie. 1981 beschrieb der amerikanische Physiker Paul Benioff die erstmalige Anwendung der Quantentheorie auf Computer. Benioff erweiterte die Turing-Theorie auf Quantencomputer. Die meisten digitalen Computer, wie der, mit dem Sie diesen Artikel lesen, basieren auf der Turing-Theorie.

Die Begeisterung für die Entwicklung des ersten Quantencomputers begann 1994 mit Shors Algorithmus. Peter Shor, Mathematiker bei Bell Labs, schlug eine Methode zur Faktorisierung großer Ganzzahlen vor. Dies hatte schwerwiegende Auswirkungen auf die Kryptographie, die darauf beruht, dass es bei dieser Operation schwierig ist, Codes sicher zu halten. Shors Algorithmus suchte nach Periodizitäten in langen ganzen Zahlen – Sequenzen von wiederholten Ziffern. Es nutzt die Quantenprinzipien der Überlagerung, um in der blitzschnellen Zeit von wenigen Minuten nach Periodizitäten zu suchen. Dieselbe Berechnung auf einem klassischen Computer durchzuführen, würde länger dauern als das Alter des Universums.

Im Jahr 2000 wurde der erste funktionierende 5- Qubit-NMR-Computer an der Technischen Universität München getestet. Kurz darauf übertraf das Los Alamos National Laboratory dieses Kunststück mit einem funktionierenden 7- Qubit-NMR-Quantencomputer.

Im Jahr 2011 stellte eine Firma mit dem Namen D-Wave Systems den Quantencomputer D-Wave One vor. Dies war das weltweit erste im Handel erhältliche Quantencomputersystem zu einem Preis von 10 Mio. US-Dollar. 2012 brachte D-Wave Systems den 512- Qubit-Quantencomputer Vesuv auf den Markt. Das System wurde von Google gekauft und im Ames Research Center der NASA installiert. 2015 erschien der 1.152- Qubit-D-Wave-2X-Quantencomputer. Anfang 2017 übertraf das Unternehmen die Leistung mit dem D-Wave 2000Q, der mit 2.048 Qubits ausgestattet war.

Mit diesem Erfolg verdoppelt sich die Anzahl der Qubits auf ihren Quantenprozessoren weiterhin alle zwei Jahre. Je mehr Qubits, desto komplexer sind die Probleme, die gelöst werden können. Die jüngsten Fortschritte haben die Aussicht auf einen ersten Allzweck-Quantencomputer viel näher gebracht.

Ist der Quantencomputer damit Realität?

Nein, nicht im klassischen Sinne. Wäre dem so, hätten sämtliche etablierten Kryptographieverfahren ihren wirksamen Schutz verloren.

Wie funktioniert ein Quantencomputer? Nach welchem Prinzip arbeitet er?

Heutige Computer bearbeiten wie eine Turing-Maschine mit Bits, die in einem von zwei Zuständen existieren: 0 oder 1. Quantencomputer sind nicht auf zwei Zustände beschränkt. Sie codieren Informationen als Quantenbits oder Qubits, die überlagert vorliegen können. Qubits stellen Atome, Ionen, Photonen oder Elektronen und ihre jeweiligen Steuereinrichtungen dar, die zusammenarbeiten, um als Computerspeicher und Prozessor zu fungieren.

Da ein Quantencomputer diese mehreren Zustände gleichzeitig enthalten kann, kann er millionenfach leistungsfähiger sein als die derzeit leistungsstärksten Supercomputer. Ein 30-Qubit-Quantencomputer würde der Rechenleistung eines herkömmlichen Computers entsprechen, der mit 10 Teraflops (Billionen Gleitkomma-Operationen pro Sekunde) arbeitet. Desktop-Computer arbeiten heute mit einer Geschwindigkeit, die in Gigaflops (Milliarden von Gleitkomma-Operationen pro Sekunde) gemessen wird.

Quantencomputer nutzen auch einen anderen Aspekt der Quantenmechanik, der als Verschränkung bekannt ist. Ein Problem bei Quantencomputern besteht darin, dass sie die subatomaren Teilchen beeinflussen und dadurch ihren Wert ändern können, wenn sie versuchen, ihren Zustand zu messen. Wenn sie sich ein Qubit in Überlagerung ansehen, um seinen Wert zu bestimmen, nimmt das Qubit entweder den Wert 0 oder 1 an, aber nicht beide. In diesem Augenblick wird aus dem Quantencomputer effektiv ein einfacher Digitalcomputer. Um einen praktischen Quantencomputer herzustellen, müssen Wissenschaftler Methoden zur indirekten Durchführung von Messungen entwickeln, um die Integrität des Systems zu bewahren. Verschränkung bietet eine mögliche Antwort.

Eigenschaften und Besonderheiten von Quantencomputern

Informatiker steuern die mikroskopischen Partikel, die in Quantencomputern als Qubits fungieren, mithilfe von Steuergeräten.

• Ionenfallen verwenden optische oder magnetische Felder (oder eine Kombination aus beiden), um Ionen einzufangen.
• Optische Fallen verwenden Lichtwellen, um Partikel einzufangen und zu kontrollieren.
• Quantenpunkte bestehen aus Halbleitermaterial und werden zur Aufnahme und Manipulation von Elektronen verwendet.
• Supraleitende Schaltkreise lassen Elektronen bei sehr niedrigen Temperaturen nahezu widerstandslos fließen

Wann kommt der Durchbruch, woran hapert es?

In den letzten Jahren wurden im Bereich des Quantencomputers einige wichtige Fortschritte erzielt. Quantencomputer könnten eines Tages Siliziumchips ersetzen, genau wie der Transistor einst die Vakuumröhre ersetzte. Die Technologie, die für die Entwicklung eines solchen Quantencomputers erforderlich ist, liegt derzeit jedoch außerhalb unserer Reichweite. Die meiste Forschung im Bereich Quantencomputing ist immer noch sehr theoretisch.

Die fortschrittlichsten einsatzbereiten Quantencomputer können heute nicht mehr als 16 Qubits manipulieren. Das bedeutet, dass sie noch weit von der praktischen Anwendung entfernt sind. Es bleibt jedoch das Potenzial, dass Quantencomputer eines Tages schnell und einfach Berechnungen durchführen können, die auf herkömmlichen Computern unglaublich zeitaufwändig sind.