Eine Anleitung zum Verständnis des Quantum Computing und seiner Funktionsweise.
Wenn Wissenschaftler beispielsweise die Energie von Molekülen bei der Photosynthese nutzen möchten , können sie das nicht mit herkömmlichen Computern tun. Sie müssen Quantencomputer verwenden , die Quantensysteme auf molekularer Ebene messen und beobachten sowie die bedingte Wahrscheinlichkeit von Ereignissen berechnen können. Im Grunde können Quantencomputer an einem Wochenende Berechnungen im Umfang von Milliarden von Jahren durchführen – und dabei einige der komplexesten Probleme der Welt lösen.
Tatsächlich unterscheidet sich Quantum Computing stark vom klassischen Computing. Die Quantenphysikerin Shohini Ghose von der Wilfrid Laurier University hat den Unterschied zwischen Quanten- und klassischem Computing mit dem zwischen Glühbirnen und Kerzen verglichen: „Die Glühbirne ist nicht nur eine bessere Kerze; sie ist etwas völlig anderes.“
Was ist Quantum Computing?
Quanteninformatik löst mathematische Probleme und führt Quantenmodelle auf Grundlage der Grundsätze der Quantentheorie aus. Zu den Quantensystemen, die mithilfe von Quanteninformatik modelliert werden, zählen unter anderem Photosynthese, Supraleitung und komplexe Molekülformationen.
Um Quantum Computing und seine Funktionsweise zu verstehen, müssen Sie zunächst Qubits, Superposition, Verschränkung und Quanteninterferenz verstehen.
Was sind Qubits?
Quantenbits oder Qubits sind die grundlegende Informationseinheit in der Quanteninformatik. Sie ähneln in etwa einem herkömmlichen Binärbit in der herkömmlichen Informatik.
Qubits nutzen Superposition, um gleichzeitig mehrere Zustände annehmen zu können. Binäre Bits können nur 0 oder 1 darstellen. Qubits können 0 oder 1 sowie einen beliebigen Teil von 0 und 1 in Superposition beider Zustände sein.
Woraus bestehen Qubits? Die Antwort hängt von der Architektur der Quantensysteme ab, da manche von ihnen extrem niedrige Temperaturen benötigen, um richtig zu funktionieren. Qubits können aus gefangenen Ionen, Photonen, künstlichen oder realen Atomen oder Quasiteilchen bestehen, während binäre Bits häufig Chips auf Siliziumbasis sind.
Was ist Superposition?
Zur Erklärung der Superposition verweisen manche auf Schrödingers Katze , andere auf den Moment, in dem sich beim Münzwurf eine Münze in der Luft befindet.
Einfach ausgedrückt ist Quantensuperposition ein Zustand, in dem Quantenteilchen eine Kombination aller möglichen Zustände sind. Die Teilchen schwanken und bewegen sich weiter, während der Quantencomputer jedes Teilchen misst und beobachtet.
Das Interessantere an der Superposition – und nicht der Fokus auf zwei Dinge gleichzeitig – ist die Fähigkeit, Quantenzustände auf verschiedene Weise zu betrachten und ihnen unterschiedliche Fragen zu stellen, sagt John Donohue, wissenschaftlicher Outreach-Manager am Institute for Quantum Computing der University of Waterloo. Das heißt, anstatt Aufgaben wie ein herkömmlicher Computer sequentiell ausführen zu müssen, können Quantencomputer eine große Anzahl paralleler Berechnungen durchführen.
Das ist ungefähr so viel Vereinfachung, wie wir erreichen können, bevor wir Gleichungen aufstellen. Aber die wichtigste Erkenntnis ist, dass diese Überlagerung es einem Quantencomputer ermöglicht, „alle Pfade gleichzeitig auszuprobieren“.
Was ist Verschränkung?
Quantenteilchen können Messungen miteinander in Beziehung setzen. Wenn sie sich in diesem Zustand befinden, nennt man das Verschränkung. Während der Verschränkung können Messungen eines Qubits dazu verwendet werden, Rückschlüsse auf andere Einheiten zu ziehen. Verschränkung hilft Quantencomputern, größere Probleme zu lösen und größere Daten- und Informationsmengen zu berechnen.
Was ist Quanteninterferenz?
Da Qubits eine Superposition erfahren, können sie natürlich auch Quanteninterferenz erfahren. Diese Interferenz ist die Wahrscheinlichkeit, dass Qubits auf die eine oder andere Weise kollabieren. Aufgrund der Möglichkeit einer Interferenz arbeiten Quantencomputer daran, diese zu reduzieren und genaue Ergebnisse sicherzustellen.
Wie funktionieren Quantencomputer?
Sie verwenden Qubits und Computeralgorithmen
Quantencomputer verarbeiten Informationen auf eine grundlegend andere Weise als klassische Computer. Herkömmliche Computer arbeiten mit binären Bits, Quantencomputer übertragen Informationen jedoch über Qubits. Die Fähigkeit des Qubits, in Superposition zu bleiben, ist der Kern des Potenzials der Quantentechnologie für exponentiell höhere Rechenleistung.
Quantencomputer verwenden eine Vielzahl von Algorithmen, um Messungen und Beobachtungen durchzuführen. Diese Algorithmen werden von einem Benutzer eingegeben, der Computer erstellt dann einen mehrdimensionalen Raum, in dem Muster und einzelne Datenpunkte untergebracht sind. Wenn ein Benutzer beispielsweise ein Proteinfaltungsproblem lösen möchte, um herauszufinden, wie viel Energie dafür am wenigsten verbraucht werden muss, würde der Quantencomputer die Faltungskombinationen messen; diese Kombination ist die Antwort auf das Problem.
Sie verlassen sich auf eine quantenspezifische Computerinfrastruktur
Der physische Aufbau eines echten Quantencomputers besteht im Wesentlichen aus drei Teilen. Der erste Teil ist ein herkömmlicher Computer und eine Infrastruktur, die Programme ausführt und Anweisungen an die Qubits sendet. Der zweite Teil ist eine Methode zum Übertragen von Signalen vom Computer an die Qubits. Schließlich muss eine Speichereinheit für die Qubits vorhanden sein. Diese Speichereinheit für Qubits muss in der Lage sein, die Qubits zu stabilisieren, und es müssen bestimmte Anforderungen oder Voraussetzungen erfüllt sein. Diese können von der Notwendigkeit einer Temperatur nahe Null Grad bis hin zur Unterbringung in einer Vakuumkammer reichen.
Sie erfordern physische Isolierung und Kühlmechanismen
Wie sich herausstellt, erfordern Qubits mehr Wartung als selbst der fehleranfälligste Rockstar. Eine beliebige Anzahl einfacher Aktionen oder Variablen kann dazu führen, dass fehleranfällige Qubits in die Dekohärenz geraten oder einen Quantenzustand verlieren. Dinge, die einen Quantencomputer zum Absturz bringen können, sind das Messen von Qubits und das Ausführen von Operationen. Mit anderen Worten: seine Verwendung. Selbst kleine Vibrationen und Temperaturschwankungen führen ebenfalls zur Dekohärenz von Qubits.
Aus diesem Grund werden Quantencomputer isoliert gehalten und diejenigen, die auf supraleitenden Schaltkreisen laufen – die bekannteste Methode, die von Google und IBM bevorzugt wird – müssen bei einer Temperatur von nahezu dem absoluten Nullpunkt (kühle -460 Grad Fahrenheit) gehalten werden.
Welche Lösungen kann Quantum Computing bieten?
Quantum Computing kann die Problemlösung optimieren, indem Quantencomputer quanteninspirierte Algorithmen ausführen. Diese Optimierungen können in den Bereichen Wissenschaft und Industrie angewendet werden, da sie stark von Faktoren wie Kosten, Qualität und Produktionszeit abhängen. Mit Quantum Computing werden neue Erkenntnisse in der Flugsicherung, bei Paketlieferungen, bei der Energiespeicherung und vielem mehr möglich sein.
Molekulare Modellierung und Simulationen
Ein Durchbruch in der Quanteninformatik gelang 2017, als Forscher bei IBM Berylliumhydrid modellierten, das größte Molekül, das bis dahin auf einem Quantencomputer simuliert wurde. Ein weiterer wichtiger Schritt gelang 2019, als Forscher von IonQ Quanteninformatik nutzten, um noch größere Moleküle zu simulieren, indem sie ein Wassermolekül simulierten .
Klima- und Energieoptimierungsprobleme
Manche glauben, dass Quantencomputer den Klimawandel bekämpfen können, indem sie die Kohlenstoffabscheidung verbessern. Jeremy O’Brien, CEO des in Palo Alto ansässigen Unternehmens PsiQuantum, schrieb , dass die Quantensimulation größerer Moleküle – wenn sie gelingt – dabei helfen könnte, einen Katalysator zu bauen, „um Kohlendioxid direkt aus der Atmosphäre zu ‚waschen‘.“
Durchbrüche in der künstlichen Intelligenz
Es besteht auch die Hoffnung, dass Quantencomputer im großen Maßstab dazu beitragen werden, künstliche Intelligenztechnologien zu beschleunigen und umgekehrt – obwohl sich die Experten in diesem Punkt nicht einig sind. „Der Grund für die Kontroverse ist, dass die Dinge in einer Quantenwelt neu gestaltet werden müssen“, sagt Rebecca Krauthamer, CEO der Quantencomputer-Beratung Quantum Thought . „Wir können [KI-]Algorithmen nicht einfach von normalen Computern auf Quantencomputer übertragen, da die Regeln auf der elementarsten Ebene völlig anders sind.“
Herausforderungen des Quantum Computing
Störungen durch Quantenrauschen
Derzeit befinden wir uns noch in der sogenannten NISQ-Ära – Noisy, Intermediate-Scale Quantum. Quantenrauschen bezeichnet alle Störungen, die den Zustand von Qubits beeinflussen und die Superposition, Verschränkung und die Gesamtgenauigkeit von Quantensystemen beeinträchtigen können. Dieses Rauschen kann durch mehrere Faktoren wie Temperatur, elektromagnetische oder mechanische Schwankungen verursacht werden, was es unglaublich schwierig macht, Quantencomputer in einem richtigen Quantenzustand zu halten. Daher kann man NISQ-Computern nicht zutrauen, Entscheidungen von großer kommerzieller Tragweite zu treffen, was bedeutet, dass sie derzeit hauptsächlich für Forschung und Bildung eingesetzt werden.
Quantentechnologie ist schwer zu skalieren und zu verwirklichen
Obwohl Quantum Computing das Potenzial hat, komplexe Probleme zu lösen, sind die benötigte Leistung und Anzahl der Qubits, um diese Aufgaben tatsächlich zu erfüllen, anspruchsvoll. Zudem muss die Technologie noch skaliert werden, um diesen Bedarf decken zu können.
Insbesondere bei Qubits besteht die Herausforderung laut Jonathan Carter, Wissenschaftler am Lawrence Berkeley National Laboratory, aus zwei Gründen: Erstens müssen die einzelnen physikalischen Qubits eine höhere Genauigkeit aufweisen. Dies könnte möglicherweise durch bessere Technik, die Entdeckung eines optimalen Schaltkreislayouts und die Ermittlung der optimalen Komponentenkombination erreicht werden. Zweitens müssen wir sie so anordnen, dass sie logische Qubits bilden.
„Die Schätzungen reichen von Hunderten über Tausende bis hin zu Zehntausenden physischer Qubits, die erforderlich sind, um ein fehlertolerantes Qubit zu bilden. Ich denke, man kann mit Sicherheit sagen, dass keine der derzeit verfügbaren Technologien auf diese Größenordnungen skalierbar wäre“, sagte Carter.
So bräuchten Forscher beispielsweise allein schon Millionen von Qubits, um „die chemischen Eigenschaften einer neuen Substanz“ zu berechnen, wie die theoretische Physikerin Sabine Hossenfelder im Guardian feststellte . Zudem macht es die Fragilität großer Quantensysteme für aktuelle Technologien schwierig, sie lange genug zu stabilisieren, damit sie überhaupt funktionieren.
Aber zumindest die konzeptionelle Grundlage ist vorhanden, um diese Hürden zu überwinden. „Ein Quantencomputer kennt die Quantenmechanik bereits, also kann ich im Wesentlichen programmieren, wie ein anderes Quantensystem funktionieren würde, und dies verwenden, um das andere nachzuahmen“, erklärte Donohue.
Darüber hinaus sind die Herausforderungen, denen sich das Quantum Computing gegenübersieht, nicht nur hardwarebezogen. Die „Magie“ des Quantum Computing liegt auch in algorithmischen Fortschritten, „nicht in der Geschwindigkeit“, betont Greg Kuperberg, ein Mathematiker an der University of California in Davis.
„Wenn Sie einen neuen Algorithmus für eine passende Frage entwickeln, können die Dinge exponentiell schneller gehen“, sagte er und meinte dabei das Wort „exponentiell“ wörtlich und nicht metaphorisch.
Standards für Quantencomputer werden noch entwickelt
Eine weitere offene Frage: Welche Methode des Quantum Computing wird sich durchsetzen? Während die Supraleitung bisher die meisten Erfolge gebracht hat, erforschen Forscher alternative Methoden, die gefangene Ionen, Quantenglühen oder sogenannte topologische Qubits beinhalten. Nach Ansicht von Donohue geht es nicht unbedingt darum, welche Technologie besser ist, sondern vielmehr darum, den besten Ansatz für verschiedene Anwendungen zu finden. So passen Supraleitungschips natürlich gut zur Magnetfeldtechnologie, die der Neurobildgebung zugrunde liegt.
Mangelndes Fachwissen im Bereich Quantum Computing
Ein Hindernis für Quantencomputer ist laut Krauthamer der allgemeine Mangel an Fachwissen. „Es gibt einfach nicht genug Leute, die auf Software- oder Algorithmenebene in diesem Bereich arbeiten“, sagte sie. Das Team des Technologieunternehmers Jack Hidarity machte sich daran, die Zahl der im Bereich Quantencomputer tätigen Personen zu zählen , und fand laut Krauthamer nur etwa 800 bis 850 Personen. „Das ist ein größeres Problem, auf das wir uns konzentrieren müssen, noch mehr als auf die Hardware“, sagte sie. „Denn die Menschen werden diese Innovation [bringen müssen].“
Warum Quantum Computing wichtig ist
Quantencomputer können die Ergebnisse klassischer Computer überprüfen
Die praktische Anwendbarkeit von Quantencomputern in Forschung und Entwicklung ist nachweisbar, wenn auch ausgesprochen klein. Donohue nennt die Molekülmodellierung von Lithiumwasserstoff. Dieses Molekül ist so klein, dass es auch mit einem Supercomputer simuliert werden kann, aber die Quantensimulation bietet eine wichtige Gelegenheit, nach einer klassischen Computersimulation „unsere Antworten zu überprüfen“.
Dabei handelt es sich im Allgemeinen noch um kleine Probleme, die mit klassischen Simulationsmethoden überprüft werden können. „Aber es geht um Dinge, die ohne den Bau eines großen Teilchenphysik-Experiments, das sehr teuer werden kann, schwer zu überprüfen sein werden“, sagte Donohue.
Quantum Computing könnte die Kryptographie revolutionieren
Quantencomputer haben möglicherweise das Potenzial, einige unserer aktuellen Systeme zu revolutionieren. Das als RSA bekannte Kryptosystem bietet die Sicherheitsstruktur für eine Vielzahl von Datenschutz- und Kommunikationsprotokollen, von E-Mails bis hin zu Online-Einzelhandelstransaktionen. Aktuelle Standards basieren auf der Tatsache, dass niemand über die Rechenleistung verfügt, um jede mögliche Methode zum Entschlüsseln Ihrer verschlüsselten Daten zu testen , aber ein ausgereifter Quantencomputer könnte jede Option innerhalb von Stunden ausprobieren .
Es sollte betont werden, dass Quantencomputer diesen Reifegrad noch nicht erreicht haben – und das auch noch eine Weile so bleiben wird –, aber falls und wenn ein großes, stabiles Gerät gebaut wird, würde seine beispiellose Fähigkeit, große Zahlen zu faktorisieren, das RSA-Kryptosystem im Wesentlichen in Trümmern liegen lassen. Glücklicherweise ist die Technologie noch weit davon entfernt – und die Experten arbeiten daran.
„Keine Panik.“ Das ist der Ratschlag von Mike Brown, CTO und Mitbegründer des auf Quantenkryptographie spezialisierten Unternehmens ISARA Corporation , besorgten potenziellen Kunden. Die Bedrohung ist alles andere als akut. „Aus der akademischen Gemeinschaft und von Unternehmen wie IBM und Microsoft hören wir , dass wir aus Planungssicht normalerweise einen Zeitraum von 2026 bis 2030 verwenden, um Systeme vorzubereiten“, sagte er.
Kryptographen von ISARA gehören zu mehreren Kontingenten, die am Projekt „Post-Quantum Cryptography Standardization“ teilgenommen haben , einem Wettbewerb für quantenresistente Verschlüsselungsverfahren. Ziel ist die Standardisierung von Algorithmen , die Angriffen durch große Quantencomputer standhalten können. Der Wettbewerb wurde 2016 vom National Institute of Standards and Technology ins Leben gerufen, einer Bundesbehörde, die bei der Festlegung von Richtlinien für Technik und Wissenschaft hilft, und bereitet sich nun auf seine dritte Runde vor.
Tatsächlich ist der Grad an Komplexität und Stabilität, den ein Quantencomputer benötigt, um den viel diskutierten RSA-Angriff auszuführen, extrem. Selbst wenn man das zugibt, sind die Zeitpläne im Quantum Computing – insbesondere in Bezug auf die Skalierbarkeit – Streitpunkte.
Die Zukunft des Quantum Computing
Quantencomputer gibt es tatsächlich, und sie werden bereits eingesetzt. Allerdings „lösen“ sie derzeit weder den Klimawandel, noch steigern sie die Wahrscheinlichkeit von Finanzprognosen oder erfüllen andere ähnlich anspruchsvolle Aufgaben, die im Zusammenhang mit dem Potenzial des Quantum Computing immer wieder in den Raum geworfen werden. Quantum Computing könnte im Zusammenhang mit diesen Herausforderungen kommerzielle Anwendungen haben, aber das liegt noch in weiter Ferne.
„Die Technologie ist einfach noch nicht so weit, dass sie einen rechnerischen Vorteil gegenüber anderen Berechnungsmethoden bietet“, sagte Dohonue. „Das [kommerzielle] Interesse besteht vor allem aus einer langfristigen Perspektive. [Unternehmen] gewöhnen sich an die Technologie, sodass sie bereit sind, wenn sie aufholt – und dieser Zeitplan ist Gegenstand heftiger Debatten.“
Obwohl das Quantum Computing bis zu seiner großflächigen kommerziellen Einführung noch einen weiten Weg vor sich hat, können neugierige Köpfe die Technologie bereits heute ausprobieren. Mithilfe von IBMs Online-Plattform Q Experience und der Open-Source-Software Quiskit können Benutzer kleine Quantenprozessoren über die Cloud betreiben. Microsoft und Amazon verfügen mittlerweile über ähnliche Plattformen: Azure Quantum und Amazon Braket . Im Quantum Algorithm Zoo – einem Online-Katalog von Quantenalgorithmen, der von Microsofts Quantenforscher Stephen Jordan zusammengestellt wurde – sind über 60 Algorithmen gelistet und über 400 Artikel zitiert . „Das ist eines der coolen Dinge am heutigen Quantum Computing“, sagt Krauthamer. „Wir können alle damit anfangen und herumexperimentieren.“
Häufig gestellte Fragen
Was ist Quantum Computing in einfachen Worten?
Quantum Computing bezieht sich auf Computer, die auf den Gesetzen der Quantenmechanik basieren, um Probleme schneller zu lösen als klassische Computer. Quantencomputer verwenden Qubits, um Informationen gleichzeitig in mehreren Zuständen (wie 0 und 1) zu haben.
Was können Quantencomputer?
Quantencomputer können Quantenalgorithmen ausführen, um Problemlösungsprozesse zu beschleunigen. Diese Prozesse können in Bereichen wie medizinischer Forschung, Finanzmodellierung, KI und mehr eingesetzt werden, um Entscheidungen mit höherer Genauigkeit und Geschwindigkeit zu treffen.
Gibt es mittlerweile Quantencomputer?
Quantencomputer gibt es bereits, sie werden allerdings hauptsächlich in Rechenzentren, Laboren und Universitäten für Forschungs- und Lehreszwecke eingesetzt.
Was ist das Hauptziel des Quantum Computing?
Ziel des Quantum Computing ist es, Forschungs- und Entwicklungsinitiativen zu beschleunigen sowie komplexe Daten- oder Optimierungsprobleme zu lösen, die klassische Computer nicht verarbeiten können.