Was ist ein Quantencomputer?

Erst kürzlich ist Google ein Durchbruch in der Entwicklung von Quantencomputern geglückt. Der Prozessor Sycamore hat damit wieder ein Thema ins Gespräch gebracht, unter dem sich viele noch nicht viel vorstellen können. Wir widmen uns daher dem Quantencomputer und erklären das Konzept dahinter.

Über Bits und Qubits

Der größte Unterschied zwischen herkömmlichen Computern und Quantencomputern liegt in der Speicherung von Informationen: Aktuelle Computer nutzen Bits, der Quantencomputer Qubits.

Ein normaler Computer hat Bits

Ein Computer wie wir ihn kennen, stellt alle Informationen in Bits dar. Bits sind die kleinste Einheit, in der Informationen binär gespeichert werden können und bestehen lediglich aus zwei Zuständen, die als 1 und 0 oder „True“ und „False“ dargestellt werden. Effektiv ist das wie bei einem Lichtschalter. Die 1 bedeutet „an“, die 0 bedeutet „aus“. Strom fließt oder eben nicht.

Zum Glück gibt es mittlerweile Programmiersprachen, die mehr unserem Sprachverständnis angepasst sind. Der Programmierer nimmt Objekte und nutzt Funktionen, um seine Eigenschaften zu ändern oder sie miteinander interagieren zu lassen. Intern wird jedoch aus dieser recht greifbaren Programmiersprache ein Maschinencode aus Einsen und Nullen. Über einige Beispiele für besonders skurrile Programmiersprachen haben wir bereits geschrieben.

Ein Quantencomputer nutzt Qubits

Der Quantencomputer bricht mit diesen binären Zuständen aus Einsen und Nullen. Statt Bits nutzt er nämlich Qubits („Kiu-Bit“ gesprochen). Diese bedienen sich bei der Quantenphysik, die für uns gedanklich deutlich schwerer zu greifen ist, als die klassische Physik.

Auch beim Qubit gibt es die beiden Zustände 1 und 0. Der Unterschied ist dabei, dass Qubits über eine bestimmte Zeitspanne, die Koheränzzeit, einen Zwischenzustand einnehmen. Dieser wird Superposition genannt. Das Qubit nimmt erst bei einer Messung einen eindeutigen Zustand von 1 oder 0 an.

Es ist quasi die Digitalisierung von Schrödingers Katze. Beim Gedankenexperiment wird eine Katze in eine Kiste gesteckt, in der zu 50-prozentiger Wahrscheinlichkeit Gift freigesetzt wird. Bevor man die Kisste öffnet, kann die Katze sowohl tot (0), als auch lebendig (1) sein.

Was für Vorteile bringt ein Qubit?

Der große Vorteil eines Qubits ist, dass er mehrere Lösungsmöglichkeiten zugleich testet. Das einzelne Qubit ermöglicht dabei „nur“ zwei Aktionen zugleich. Allerdings steigt die Anzahl der Möglichkeiten exponentiell mit der Zahl der Qubits. Zwei Qubits ermöglichen 4 Aktionen, drei Qubits 8 Aktionen, vier Qubits 16 Aktionen und so weiter. 20 miteinander verbundene Qubits verfügen bereits über mehr als eine Million parallele Aktionen. 

Ein herkömmlicher Rechner dagegen arbeitet jedes Szenario nacheinander ab oder verteilt sie auf mehrere Kerne bzw. Threads. Deren Zahl ist aber ungleich geringer im Vergleich zum Quantencomputer und hat einen höheren Bedarf an Energie und Platz.

Wofür brauchen wir Quantencomputer?

So viel zur Theorie. Viel wichtiger ist jedoch die Frage: Wozu brauchen wir eigentlich Quantencomputer? Für die alltägliche Nutzung, beispielsweise für Gaming, Textbearbeitung oder Social Media, ist Quantencomputing wenig hilfreich.

Seinen größten Nutzen hat Quantencomputing überall dort, wo es um komplexe Berechnungen geht, bei der eine Vielzahl an Möglichkeiten in Erwägung gezogen wird. Wer seine Lohnsteuer erledigen will, braucht keine Quantentechnologie. Grundlage zur Berechnung sind feststehende Zahlen, der Rechenweg klar vorgegeben und das Ergebnis damit einfach zu berechnen.

Verschlüsselungen

Es hat schon einen Grund, warum bei der Brute-Force-Methode zum Knacken von Passwörtern die Grafikkarte genutzt wird. Sie hat einfach viel mehr Rechenpower und kann die unzähligen Möglichkeiten viel schneller nacheinander abarbeiten. Ein Quantencomputer wäre jedoch in der Lage eine Vielzahl möglicher Lösungen zugleich auszuprobieren und das Passwort oder eine Verschlüsselung im Bruchteil der Zeit zu knacken.

Zugegeben kein schönes Beispiel, da uns Verschlüsselungstechniken meist schützen sollen. So wären aber fast alle gängigen Verschlüsselungsverfahren im Handumdrehen geknackt. Natürlich argumentieren staatliche Behörden mit der Möglichkeit, Straftaten aufklären zu können, bei denen nicht lesbare Dateien vorliegen. In den falschen Händen kann die Technologie aber mindestens so viel Schaden anrichten.

Auch eine abhörsichere Kommunikation mittels Quantenverschlüsselung ist im Gespräch. Diese Art der Verschlüsselung braucht jedoch noch einige Jahre, ehe sie kommerziell genutzt werden kann.

Mobilität

Ein KI-gesteuertes Fahrzeug muss in jeder Fahrsituation zahlreiche Faktoren miteinbeziehen. Ein Quantencomputer ist perfekt dafür geeignet, zeitgleich unzählige Szenarien durchzuspielen, um schnell die richtige Entscheidung zu treffen.

Doch auch in der Verkehrssteuerung selbst zeigt sich der Quantencomputer seine Stärken. Volkswagen hat in Lissabon ein Pilotprojekt zur Verkehrsoptimierung mittels Quantencomputing gestartet. Über Quantencomputing wird das Fahrgastaufkommen analysiert und daraus eine Route für die Busse berechnet, die Staus clever umschifft. Jeder Bus erhält seine eigene Route. Bereits 2017 startete der Autokonzern ein Projekt in Peking. Mit den Daten von rund 10.000 Taxis sammelte das Projekt Daten, um nicht nur den aktuellen Verkehrsfluss zu analysieren, sondern auch die vermutliche Entwicklung einzubeziehen. Somit schlagen die Fahrzeuge auch keine Route ein, auf der sich bei ihrer Ankunft vermutlich ein Stau entwickelt.

Künstliche Intelligenz

Intelligenz bedeutet nicht nur Wissen, sondern auch mehrere Faktoren für Entscheidungen einzubeziehen. Mittels Quantencomputing wäre eine Künstliche Intelligenz in der Lage, zeitgleich mehrere Möglichkeiten unter Abwägung unterschiedlicher Faktoren durchzuspielen, um sich dann für die sinnvollste Variante zu entscheiden. Auch das Lernen anhand großer Datenmengen gestaltet sich auf diese Art deutlich einfacher für die Künstliche Intelligenz.

Wissenschaft

Da der Quantencomputer selbst die Quantenphysik nutzt, ist es kaum verwunderlich, dass ein großer Teil seiner möglichen Einsatzgebiete in der Wissenschaft liegen. Bei vielen physikalischen Fragestellungen handelt es sich nämlich um komplizierte Vorgänge in Quantensystemen. Doch auch die Chemie und Pharmaindustrie kann von den neuen Superrechnern stark profitieren.

Ohnehin steckt die Wissenschaft in einer Krise. So sind die Durchbrüche in der theoretischen Physik zuletzt relativ überschaubar gewesen. Quantenrechner könnten der Wissenschaft neuen Schwung verleihen, indem sich komplexe Modelle viel schneller durchrechnen lassen.

Datenbanken

Weniger wissenschaftlich ist die Nutzung von Quantencomputern für Datenbankabfragen. Ein Quantencomputer eignet sich für riesige Datenbanken mit komplexen Abfragen, um die Antwortzeit der Datenbank stark zu reduzieren. Damit sind die neuen Computer auch für alle Unternehmen interessant, die große Datenmengen verarbeiten.

Quantencomputer sind eine technische Herausforderung

Die größte Herausforderung für Quantenrechner, ist die Instabilität des Überlagerungszustands eines Qubits, der bislang nur wenige Sekundenbruchteile hält. Um diesen Zustand zu erreichen sind Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunkts (-273,15 Grad Celsius) nötig. Das ist die tiefste Temperatur, die physikalisch möglich ist – noch kälter als im Weltraum.

Jede kleine Änderung an der Umgebung, sei es Temperatur, Erschütterung oder elektromagnetische Störungen, beeinflusst die Genauigkeit der Qubits. In der Theorie reichen aktuelle Prototypen mit rund 20-50 Qubits aus, um jeden herkömmlichen Rechner zu dominieren. Doch durch das sogenannte Quantenrauschen, verursacht durch Störungen der Umgebung, benötigt jedes rechnende Qubit eigentlich noch eine große Menge physikalischer Qubits für die Fehlerkorrektur. Der Bund für Sicherheit in der Informationstechnik (bsi) beziffert die Zahl nötiger Hilfs-Qubits derzeit auf 100 pro Qubit.

Aktuelle Quantencomputer

Die Quantenrechner befinden sich noch immer in den Kinderschuhen. Große Konzerne investieren hohe Summen in die Entwicklung der ersten Systeme. Darunter IBM, Google, Microsoft und Toshiba. Das sind einige der aktuellen Prototypen:

Sycamore von Google

Am 23. Oktober 2019 verkündete Google einen großen Durchbruch mit seinem Quantencomputer Sycamore. Der mit 53 Qubits einer der leistungsstärksten Computer berechnete innerhalb von 200 Sekunden eine Aufgabe, für die ein Superrechner derzeit geschätzte 10.000 Jahre braucht. Konkurrent IBM ist jedoch der Meinung, dass ein Supercomputer die Rechnung in zweieinhalb Tagen gelöst hätte.

Die Beispielaufgabe für Sycamore wurde außerdem bewusst so gehalten, dass der Quantenrechner seine Stärken komplett ausspielen kann. Es handelte sich zudem um eine sehr theoretische Aufgabe. Für praxistauglichere Rechnungen reichen auch die 53 Qubits noch nicht aus. Google hat sich aber bereits Ziele gesetzt Quantencomputer mit 1.000 und mehr Qubits zu entwickeln. Das dauert aber sicherlich noch einige Zeit.

IBM Q System One

Im Rahmen der Elektronikmesse CES 2019 präsentierte IBM den ersten kommerziell nutzbaren Quantencomputer IBM Q System One. Der luftdichte 9 x 9 x 9 Fuß große Würfel rechnet zwar nur mit 20 Qubits, öffnet aber erstmals auch anderen Unternehmen die Tür zum Quantencomputing. Unter anderem gehört die bekannte Forschungseinrichtung CERN zu den Kunden, die über das IBM Q Network Zugang zum Quanten-Computing Zentrum in New York erhalten sollen. Der Zugriff auf den IBM Q System One findet über die Cloud statt.

Im Januar 2021 soll außerdem das erste System außerhalb der USA in Bayern installiert werden. Dafür entsteht im Raum München ein neues Fraunhofer-Center für Quantencomputing.

Der IBM Q System One ist der erste echte kommerzielle Quantencomputer. Image by IBM

D-Wave 2000Q

Während Google und IBM mit ihren Rechnern tatsächlich mit der Superposition rechnen, gibt es auch sogenannte Annealer, die das Verhalten lediglich simulieren. Einer der bekanntesten Vertreter ist D-Wave Systems. 2011 verkauften sie einen Computer mit 128 Qubits an den Rüstungs- und Technologiekonzern Lockheed Martin. Daraufhin gab es eine Finanzierung von 30 Millionen Dollar durch Amazon-Chef Jeff Bezos und das Unternehmen In-Q-Tel, das dem US-Geheimdienst CIA zugeordnet wird.

Das aktuelle System D-Wave 2000Q verfügt über 2000 Qubits, für 2020 ist sogar ein System mit 5.000 Qubits geplant. Ähnlich wie beim IBM Q System One, können Entwickler über die Cloud auf das System zugreifen. Im Gegensatz zur universell einsetzbaren Konkurrenz, beschränkt sich D-Wave aufgrund ihrer Funktionsweise aber vor allem auf Optimierungsprozesse.

Spannende Technologie auf ihren ersten Schritten

Quantencomputer sind eine spannende Technologie, die Computer auf ein völlig neues Level hebt. Aber sie steckt auch noch in ihren Kinderschuhen. Die Qubits funktionieren nur unter sehr isolierten Bedingungen und sind dennoch sehr störanfällig.

Außerdem ist die Technologie eher für spezielle Anwendungsbereiche ausgelegt. Für den privaten Gebrauch müssen wir uns noch lange keine Gedanken über Quantenrechner machen. Ohnehin ist das Konzept aus der Quantenphysik für uns noch schwieriger zu begreifen, als die Funktionsweise herkömmlicher Computer. Für die Wissenschaft können die neuartigen Rechner jedoch Antworten auf viele aktuelle Probleme liefern.

Kein Quantencomputer aber ein High End-Rechner (Provisionslink)


Teaserimage by frimufilms via stock.adobe.com

Stefan Reismann

Das Internet ist sein Zuhause, die Gaming-Welt sein Wohnzimmer. Der Multifunktions-Nerd machte eine Ausbildung zum Programmierer, entdeckte dann aber vor allem die inhaltliche Seite für sich. Nun schreibt er für die Netzpiloten und betreibt nebenher einen Let's Play-Kanal, auf dem reichlich gedaddelt wird.


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