Definition Was ist ein Quantencomputer?

Ein Quantencomputer ist ein Rechner, der die Gesetze der Quantenmechanik nutzt. Er arbeitet nicht mit Bits und ihren zugehörigen Zuständen 0 und 1, sondern nutzt so genannte Quantenbits (Qubits). Qubits können mehrere Zustände gleichzeitig annehmen und untereinander verschränkt sein. Die Leistung des Quanten Computings steigt exponentiell mit der Anzahl der Qubits. Schon mit wenigen Qubits lassen sich komplexe Problemstellungen lösen.

Das Quanten Computing macht sich die Gesetze der Quantenmechanik zunutze. Quantencomputer, auch als Quantenprozessoren bezeichnet, arbeiten im Gegensatz zu herkömmlichen Computern nicht mit binären Bits, sondern mit Quantenbits (Qubits). Aufgrund des Superpositionsprinzips und der quantenmechanischen Kohärenz können Qubits mehrere Zustände gleichzeitig annehmen. Zudem sind ihre Informationszustände miteinander verschränkt.

Die Rechenleistung eines Quantencomputers steigt mit der Anzahl der Qubits exponentiell. Schon mit relativ wenigen Qubits sind Quantencomputer theoretisch in der Lage, komplexe Problemstellungen schneller zu lösen als herkömmliche Computer. Lange Zeit war das Quanten Computing ein theoretisches wissenschaftliches Konzept. Heute existieren verschiedene praktische Ansätze, Quantencomputer zu realisieren. Allerdings ist der Aufwand immens hoch und die Anzahl der Qubits noch gering.

Nach eigenen Angaben verschiedener Unternehmen und Forschungsgruppen liegt das derzeit realisierbare Maximum (Stand 2020) bei circa 50 bis 70 Qubits. Zahlreiche Unternehmen und staatliche Institutionen investieren weltweit in die Erforschung und die Entwicklung der Quantenprozessoren. Viele betrachten das Quanten Computing als eine der Schlüsseltechnologien der nächsten Jahrzehnte.

Funktionsweise eines herkömmlichen Computers

Zum besseren Verständnis des Quanten Computings ist es zunächst notwendig, die Funktionsweise herkömmlicher Computer zu beleuchten. Computer, wie sie heute zum Einsatz kommen, arbeiten alle auf Basis von Bits. Das Bit ist die kleinste Informationseinheit und hat entweder den Zustand 0 oder 1. Physikalisch werden diese beiden Zustände durch elektrische Spannungspegel, die an einem Halbleiterschaltkreis anliegen, abgebildet. Die Halbleiterschaltkreise in Form von Transistoren sind entweder leitend oder nicht-leitend geschaltet.

Im Prozessor und Arbeitsspeicher eines Computers sind viele Millionen dieser Transistoren vorhanden und miteinander verkettet. Durch die logische Verknüpfung der Bits beispielsweise mit UND-Verknüpfungen, ODER-Verknüpfungen und NICHT-Verknüpfungen lassen sich Rechenoperationen mit den Bits ausführen. Mit Hilfe vieler Rechenoperationen entstehen komplexe Befehle oder Formeln. Die Ergebnisse der Bit-Rechnungen schreibt der Computer in seinen Arbeitsspeicher und ruft sie von dort für weitere Rechenschritte wieder ab, bis das Endergebnis gebildet ist.

Aufgrund hoher Taktgeschwindigkeiten, leistungsstarker Prozessoren und großer Arbeitsspeicher kann ein Computer Milliarden einzelner Rechenschritte innerhalb einer Sekunde ausführen und komplexe Problemstellungen in kurzer Zeit lösen. Alle Ergebnisse lassen sich aber immer auf die Zustände 0 und 1 der Bits und deren logische Verknüpfung zurückführen.

Funktionsweise eines Quantencomputers und die Bedeutung der Qubits

Das Quanten Computing nutzt keinen normalen Bits. Informationen werden in den so genannten Quantenbit (Qubits) abgespeichert. Das Besondere an einem Qubit ist, dass es aufgrund des Superpositionsprinzips und der Kohärenz der Quantenmechanik mehrere Zustände gleichzeitig annehmen kann. Zusätzlich können Qubits miteinander verschränkt sein und sich direkt gegenseitig ohne Zeitverzug beeinflussen.

Erst wenn der Zustand eines Qubits versucht wird auszulesen, legt es sich für einen konkreten Zustand 0 oder 1 fest. Da Qubits mehrere Zustände gleichzeitig annehmen können, lassen sich mit einem Quantencomputer mit wenigen Qubits mehr Rechenoperationen ausführen als mit einem herkömmlichen Rechner mit gleicher Zahl normaler Bits. Theoretisch steigt die Rechenleistung exponentiell mit der Anzahl an Qubits. Ein Rechner mit vier Qubits kann zwei hoch vier gleich 16 Zustände annehmen. Schon mit 20 Qubits sind über eine Million parallele Zustände möglich. Für die durchgeführten Rechenaktionen bedeutet das, dass im Vergleich zu herkömmlichen Computern wesentlich mehr Kombinationen gleichzeitig und nicht nacheinander ausführbar sind. Quantenprozessoren benötigen weniger Qubits und weniger Zeit als bitbasierte Computer.

Stand der Entwicklung von Quantencomputern

Lange war das Quanten Computing ein rein theoretisch erforschtes wissenschaftliches Konzept. Heute existieren verschiedene Möglichkeiten, Quantencomputer mit noch relativ geringer Rechenleistung und Qubit-Anzahl zu realisieren. Nach den Angaben verschiedener Forschergruppen und Unternehmen, die in der Entwicklung des Quanten Computings aktiv sind, liegt die maximal realisierbare Menge an Qubits derzeit bei circa 50 bis 70 Qubits (Stand 2020).

Ein Ansatz, einen Quantencomputer zu bauen, ist es, Qubits mit Hilfe von auf den absoluten Nullpunkt gekühlten Metallschlaufen zu realisieren. Der Zustand der Superposition wird dadurch erreicht, dass die Metallschlaufen supraleitend werden und Strom ohne Widerstand in zwei Richtungen gleichzeitig leiten können. Programmierbar werden die Qubits durch Mikrowellenimpulse.

Neben diesem Ansatz existieren zahlreiche weitere technische Lösungsprinzipien zum Bau von Quantencomputern. Da das Quanten Computing als eine Schlüsseltechnologie der nächsten Jahrzehnte angesehen wird, investieren weltweit zahlreiche Unternehmen wie IBM, Intel oder Microsoft sowie staatliche Institutionen in die Forschung und Entwicklung von Quantencomputern. Bereits 2015 stellte IBM einen supraleitenden Quantencomputer mit fünf Qubits vor. 2017 schaffte IBM bereits 20 Qubits. Nach Angaben von Google erreichte der Google Quantenprozessor Sycamore 2019 53 Qubits. Stand 2020 existieren allerdings noch immer keine wirklich kommerziell einsetzbaren Quantencomputer.

Einsatzmöglichkeiten des Quanten Computings

Vom Quanten Computing sollen zukünftig viele unterschiedliche technische und wissenschaftliche Bereiche profitieren. Die enorme Rechenleistung der Quantenprozessoren soll dazu beitragen, komplexe Problemstellungen mit großem Rechenbedarf binnen kurzer Zeit zu lösen.

Beispielsweise versprechen sich Suchmaschinenanbieter wie Google enorme Fortschritte in der Geschwindigkeit des Durchsuchens ihrer Datenbanken. In der Wissenschaft werden mit Hilfe des Quanten Computings komplexe Simulationen möglich. Im Umfeld der Kryptographie könnte das Quanten Computing die bisher verwendeten Verschlüsselungsverfahren hinfällig machen, da Quantencomputer in der Lage sind, in kürzester Zeit durch reines Ausprobieren (Brute-Force-Methode) jegliche Verschlüsselungen zu knacken. Im Gegenzug erlaubt das Quanten Computing neue, nicht mehr kompromittierbare Quantenverschlüsselungmethoden. Eine weitere vielversprechende Einsatzmöglichkeit der Quantencomputer ist die Künstliche Intelligenz (KI). Quanten Computing eignet sich perfekt für das maschinelle Lernen. Quantum Neural Networks mit vielen Datensätzen lassen sich binnen kürzester Zeit trainieren. Weitere Anwendungsszenarien des Quanten Computings sind:

• die Steuerung und Optimierung von Verkehrsflüssen

• Berechnung komplexer wissenschaftlicher Modelle

• Optimierung von Abläufen mit vielen verschiedenen Einflussfaktoren in der Logistik, im Finanzwesen oder im Energiesektor

Vorteile des Quanten Computings gegenüber herkömmlichen Computern

Die Vorteile des Quanten Computings gegenüber herkömmlichen bitbasierten Computern sind:

• enorme Rechenleistung mit nur wenigen Qubits

• Lösung komplexer Problemstellungen binnen kurzer Zeit

• Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Machine Learnings (ML) und der Künstlichen Intelligenz (KI)

• schnelles Lösen kryptographischer Problemstellungen

• Bereitstellung sicherer Quantenverschlüsselungsverfahren

• Auswertung großer Datenmengen in kurzer Zeit

• schnelles Abfragen und Suchen in großen Datenbanken

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