Quantencomputing einfach erklärt

Ist Quantencomputing Realität oder reine Science-Fiction? Existieren sie bereits und wenn ja, wie funktioniert die Technologie? Quantencomputing einfach erklärt – bei it-daily.net.

Was sind die Grundlagen von Quantencomputern?

Die Quanteninformatik ist ein Bereich der Informatik, der sich auf die Grundsätze der Quantentheorie stützt. Herkömmliche Computer basieren auf der Manipulation elektrischer Impulse, die durch binäre Ziffern (1 und 0) dargestellt werden, um Informationen zu speichern und zu verarbeiten. (Im Binärcode steht die Ziffer 1 für einen “eingeschalteten” Zustand oder eine hohe Spannung, während die Ziffer 0 für einen “ausgeschalteten” Zustand oder eine niedrige Spannung steht). Die Quanteninformatik nutzt die Eigenschaften von subatomaren Teilchen wie Elektronen oder Photonen. Quantenbits oder Qubits können in mehreren Zuständen gleichzeitig existieren. Wichtig sind hierbei folgende Prinzipien:

Superposition (Überlagerung)

Quantencomputer beruhen auf den Prinzipien der Quantenmechanik, nämlich Überlagerung, Verschränkung und Dekohärenz. In der Quantenmechanik ist die Superposition die Fähigkeit, mehrere Quantenzustände zu kombinieren, ähnlich wie in der klassischen Physik die Addition von Wellen. Wenn man zwei oder mehr Quantenzustände addiert, erhält man einen neuen gültigen Quantenzustand. Umgekehrt kann jeder Quantenzustand als eine Kombination von zwei oder mehr verschiedenen Zuständen dargestellt werden. Die Überlagerung von Qubits in Quantencomputern ermöglicht es ihnen, zahlreiche Operationen gleichzeitig zu verarbeiten.

Entanglement (Verschränkung)

Quantenverschränkung liegt vor, wenn zwei Systeme eng miteinander verbunden sind, so dass eine unmittelbare Informationsübertragung zwischen ihnen möglich ist, unabhängig von ihrer räumlichen Trennung. In Quantenprozessoren lässt die Messung eines Teilchens Rückschlüsse auf ein anderes Teilchen zu. Wird zum Beispiel beobachtet, dass sich ein Qubit nach oben dreht, so wird sein verschränkter Partner immer nach unten drehen und umgekehrt.

Durch Verschränkung können Qubits Verbindungen mit anderen Qubits eingehen, was ihre Rechenleistung erheblich steigert. Wenn jedoch ein Quantenzustand gemessen wird, kollabiert seine Wellenfunktion und zeigt entweder eine Null oder eine Eins an. Dies ist uns schon seit einiger Zeit durch Simulationen von Quantencomputern mit herkömmlichen CPUs bekannt. Diese Simulationen können jedoch nur für eine kleine Anzahl von Qubits durchgeführt werden. Würde man in der Praxis versuchen, die IBM-API für diesen Zweck zu verwenden, würde man immer wieder auf “unsaubere Messwerte” stoßen. Die Lösung dieses Problems ist einer der vielen Aspekte, an denen die Wissenschaftler derzeit arbeiten.

Dekohärenz

Dekohärenz ist die Verschlechterung oder der Verlust des Quantenzustands eines Qubits aufgrund von Faktoren wie Strahlung. Für den Bau eines Quantencomputers ist es wichtig, diese Herausforderung zu meistern. Ingenieure entwickeln spezielle Komponenten, um die Kohärenz des Quantenzustands zu verlängern. Dazu gehört die Konstruktion von Schutzstrukturen, die die Qubits vor äußeren Feldern abschirmen und so die negativen Auswirkungen der Dekohärenz verringern.

In diesem Video werden die Konzepte der Superposition, Verschränkung und Dekohärenz noch einmal näher erläutert:

The Map of Quantum Computing - Quantum Computing Explained

Grenzen von Quantencomputern

Wissenschaftler weisen jedoch darauf hin, dass es viele Aufgaben gibt, bei denen Quantencomputer keine nennenswerten Vorteile gegenüber klassischen Computern haben. Probleme von Quantencomputern sind die folgenden:

Zerbrechlichkeit: Quantencomputer sind empfindlich gegenüber ihrer Umgebung, einschließlich Temperaturschwankungen, und können leicht durch Lärm und Vibrationen gestört werden. Jede Störung kann dazu führen, dass das System seine Kohärenz verliert, was zu Berechnungsfehlern führt.

Fehlerkorrektur: Aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber Rauschen benötigen Quantencomputer eine Fehlerkorrektur. Dies erfordert jedoch zusätzliche Hardware und Software, die die Komplexität und die Kosten des Systems erhöhen können.

Begrenzte Qubits: Quantencomputer haben eine begrenzte Anzahl von Qubits, was ihre Rechenleistung einschränkt. Die Forscher arbeiten zwar daran, die Anzahl der Qubits zu erhöhen, aber das ist immer noch eine große Herausforderung.

Begrenzte Anwendbarkeit: Quantencomputer haben sich als vielversprechend erwiesen, wenn es um die Simulation von Quantensystemen, das Factoring großer ganzer Zahlen und die Optimierung bestimmter Suchalgorithmen geht. Derzeit sind sie im Vergleich zu Supercomputern, die für allgemeine Rechenaufgaben wie Textverarbeitung oder Internet-Surfen eingesetzt werden, noch nicht sehr effizient.

Was ist der Unterschied zwischen Quantencomputern und Supercomputern?

Quantencomputer und Supercomputer haben unterschiedliche Methoden der Informationsverarbeitung, die jeweils ihre eigenen Stärken und Grenzen haben. Bei Quantencomputern ist der Baustein das Qubit oder Quantenbit. Supercomputer verwenden herkömmliche Bits und Parallelverarbeitung mit mehreren Prozessoren, um verschiedene Teile eines Problems gleichzeitig zu bearbeiten. Quantencomputer eignen sich hervorragend, um bestimmte Probleme schneller zu lösen, z. B. Optimierungs- und Simulationsaufgaben wie die Entwicklung von Medikamenten oder die Optimierung von Lieferketten. Supercomputer eignen sich hervorragend für datenintensive Aufgaben wie die Analyse großer Datensätze, die Mustererkennung oder die Modellierung komplexer Systeme, die häufig in der Wettervorhersage, der wissenschaftlichen Forschung und bei militärischen Simulationen eingesetzt werden.

Gibt es bereits vollwertige Quantencomputer?

Es gibt bereits Quantencomputer, allerdings befinden sie sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium. In den letzten Jahren haben sowohl Unternehmen als auch Forschungseinrichtungen erhebliche Fortschritte bei der Entwicklung von Quantencomputern erzielt. Einige Unternehmen wie IBM haben bereits Quantencomputer entwickelt und kommerziell verfügbar gemacht. Diese Quantencomputer sind jedoch noch relativ klein und haben eine begrenzte Anzahl von Qubits, in der Regel im Bereich von einigen Dutzend bis einigen Hundert Qubits. Die Herausforderung besteht darin, die Anzahl der Qubits zu erhöhen und die Fehleranfälligkeit der Qubits zu reduzieren, um die Leistungsfähigkeit der Quantencomputer weiter zu verbessern.

Quantencomputer wurden bereits eingesetzt, um verschiedene Probleme zu lösen, wie beispielsweise komplexe Simulationen, Optimierungsaufgaben und kryptographische Berechnungen. Sie haben gezeigt, dass sie bei bestimmten Anwendungen, insbesondere bei Problemen mit hoher Parallelität oder komplexer Datenanalyse, einen Vorteil gegenüber herkömmlichen Computern bieten können.

Dennoch stehen Quantencomputer noch vor vielen Herausforderungen. Die Qubits sind sehr empfindlich gegenüber Störungen, die als Quantenrauschen bezeichnet werden. Zudem erfordert die Skalierung der Systeme eine präzise Kontrolle über die Qubits und ihre Wechselwirkungen, was technologisch anspruchsvoll ist. Insgesamt befinden sich Quantencomputer noch in einem experimentellen Stadium, aber sie zeigen vielversprechende Ansätze für die Lösung komplexer Probleme. Die weitere Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet wird entscheidend sein, um die Leistungsfähigkeit von Quantencomputern zu verbessern und ihre Anwendungen zu erweitern.