Rechnen mit Qubits Die Grenzen des Quantencomputers

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Quantencomputer galten lange als Superrechner. Es zeigt sich jedoch immer mehr, dass sie klassische Computer nicht verdrängen, sondern ergänzen werden. Denn der Quantencomputer ist nicht immer schneller.

Quantencomputer sollen hochkomplexe Aufgaben, für welche normale Rechner Jahrtausende bräuchten, in wenigen Sekunden lösen können. Aber: Der Quantencomputer rechnet nicht pauschal schneller als ein klassischer Computer. Die Antworten zu Fragen bzw. Problemen werden im Quantencomputer in Form von Wellen dargestellt, welche sich gegenseitig auslöschen oder verstärken.

Die Kunst liegt darin, die Interferenz so zu steuern, dass am Ende nur die richtige Antwort übrig bleibt. Ob das gelingt, hängt von der Art des Problems ab. So ist der Quanten-Computer bei all den Problemen schneller als ein klassischer Rechner, die sich durch Ausprobieren lösen lassen, wobei es keinerlei Hinweise darauf gibt, mit welcher Wahrscheinlichkeit eine bestimmte Lösung auftritt.

Neben Quantenalgorithmen für komplexe mathematische Probleme, die in erster Linie akademischer Natur sind, gibt es auch welche, mit einer praktischen Anwendung. Eine der größten Stärke von Quantencomputern ist, dass sie schneller als normale Rechner nach gemeinsamen Eigenschaften vieler Eingabewerte suchen können. Somit sind sie für Anwendungen in der Mustererkennung, Big-Data oder für das maschinelle Lernen prädestiniert.

Einen speziellen Algorithmus gibt es bereits für das Design von elektronischen Schaltungen: Dieser berechnet den elektrischen Widerstand zwischen zwei beliebig gewählten Knotenpunkten in komplexen elektrischen Schaltkreisen und ermöglicht so deren Optimierung. Als weitere Beispiele lassen sich die Analyse von Börsenkursen, die Planung von Raumfahrtmissionen, die Beschleunigung der Arzneimittelentwicklung oder die Revolutionierung chemischer Reaktionsprozesse nennen.

Abhörsichere Kommunikation, sicheres Quantenrechnen in der Cloud und garantiert unbeobachtetes Suchen im Netz: Dies soll möglich werden, durch die Kombination von Quantenkryptografie mit Quantencomputern und der Internetsuchmaschine Quoogle. Und auch das Quanten-Internet (ein Netzwerk, mit dem unterschiedliche Quantencomputer zusammengeschaltet werden können und Quanteninformationen ausgetauscht werden) soll kommen.

Dafür hat die Bundesregierung kürzlich 180 Millionen Euro bereitgestellt. Auch die USA und China forschen in dieser Richtung. Die chinesische Regierung hat sogar einen Satelliten für die erdumspannende Quanten-Kommunikation ins Weltall geschickt.

Bis Quantencomputer allerdings so weit sind, werden noch einige Jahre vergehen. Eine relativ einfach zu realisierende Vorstufe zu ihnen stellen Quantensimulatoren dar. Diese Systeme übernehmen bestimmte Funktionen von Quantenrechnern und können das Verhalten eines anderen Quantensystems simulieren. So können sie als Werkzeug dienen, bestimmte Materialien besser zu verstehen, beispielsweise kann die Supraleitung in neuen Materialien berechnet und optimiert werden. Aber sie dienen auch dazu, schwarze Löcher zu erforschen oder die Photosynthese von Pflanzen, die stark von den Gesetzen der Quantenphysik bestimmt wird, besser zu verstehen.

Literatur

http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/physik-nobelpreis-2012-fuer-haroche-und-wineland-a-860260.html
ww.wikipedia.org
www.golem.de
Perspektiven der Quantentechnologie, Stellungnahme der Nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina, Acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und Union der deutschen Akademien der Wissenschaften, Juni 2015; https://www.leopoldina.org/uploads/tx_leopublication/2015_Quantentechnologien_LF_DE_korr.pdf
https://www.physik.uni-kl.de/fileadmin/widera/Hauptseminar_WS10_11/Ionenfallen.pdf
http://www.deutschlandfunk.de/glasfasernetz-wird-umgeruestet-das-quanten-internet-kommt.684.de.html?dram:article_id=387203
http://www.heute.de/bundesregierung-legt-forschungsprogramm-fuer-abhoersichere-quanten-internet-auf-47326454.html
www.quantencomputer.de

Rechnen mit Qubits

So arbeitet ein Quantencomputer