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Ist Quanten-Computing the next big thing oder Hype?

Ist Quanten-Computing the next big thing oder Hype?

In 1941 wurden die ersten theoretisch universell programmierbaren Computer entwickelt. Diese waren damals jedoch noch auf die Ein- und Ausgabe von Zahlen (meistens mit Hilfe von Lochkarten) beschränkt. Seitdem hat sich in Bezug auf die Rechenleistung und die Anwendungsmöglichkeiten von Computern sehr viel getan: moderne Smartphones haben ein vielfaches der Rechenleistung, die die Computer besaßen, mit denen die Mondlandungen der 60er und 70er Jahre gesteuert wurden. Das mooresche Gesetz besagt zudem, dass sich die Rechenleistung von beispielsweise Prozessoren der gleichen Größe alle 12 bis 24 Monate verdoppelt. 

Status Quo: Bits und Bytes

Als nächster großen Schritt ist derzeit die Entwicklung von Quantencomputern in der Diskussion. Hierbei handelt es sich um Maschinen, die nicht nach der klassischen Physik (nach Newton und anderen) funktionieren. Herkömmliche Computer rechnen mit Bits, durch die alle möglichen Anwendungen und Informationen abgebildet werden. Dabei kann ein Bit jederzeit nur einen von zwei Zuständen haben: 0 bzw. „aus/falsch“ und 1 bzw. „an/wahr“. Da diese Zustände durch das (Nicht-) Fließen von Strom bedingt sind, kann es bei konventionellen Computern auch nur diese zwei geben. Dieser Binärcode wird auch Maschinensprache genannt und liegt allen weiteren Programmiersprachen zu Grunde. Sie sind quasi die grundlegendste Infrastruktur, mit der Computerhardware die Eingaben und Softwareoperationen ausführt. 8 Bits zusammen ergeben ein Byte und 1024 Bytes ergeben ein Megabyte.

Die Grenzen aktueller Prozessoren

Dass Prozessoren innerhalb kürzester Zeit immer leistungsfähiger werden, liegt daran, dass immer mehr Transistoren auf einer CPU der gleichen Größe Platz finden. Diese sind für die Berechnung der einzelnen Bits notwendig. Dadurch werden die Transistoren immer kleiner, bis zu einer Größe von einigen wenigen Atomen. Dies bedeutet, dass, zusätzlich zu den klassischen Gesetzen der Physik, auch die Gesetze der Quantenphysik für die Funktionsweise von Prozessoren relevant werden. Diese Effekte betreffen nur eben solche sehr kleinen Maßstäbe, sind dort aber relevanter als die Effekte der „Makro-Physik“.

Beispielsweise können die Elektronen in entsprechend kleinen Prozessoren die Sperrschicht des Transistors unerlaubt überqueren. Dieser Vorgang wird als Tunneleffekt bezeichnet und bildet neben anderen Effekten das Hauptproblem in der Fertigung immer kleinerer Transistoren. Hierdurch wird dessen Integrität kompromittiert, wodurch dieser nicht mehr als logisches Bauelement dient. Das führt dazu, dass die Binäroperationen (das Rechnen mit 0 und 1) schlussendlich unzuverlässig und der Transistor unbrauchbar werden. Hier stößt die Prozessorfertigung also an ihre physikalischen Grenzen.

Mehr Rechenleistung mit Qubits

Diese quantenphysikalischen Effekte können jedoch nicht nur Probleme für die Prozessorfertigung bedeuten. Seit einiger Zeit forschen High-Tech-Unternehmen wie IBM und Google, Universitäten sowie kleinere Startups daran, solche Effekte positiv zu nutzen. Hieraus entspringt die Idee eines Quantencomputers. In diesem arbeiten sogenannte Qubits (auch Quantenbits genannt). Diese sind quasi Transistoren, welche auf das Arbeiten im quantenphysikalischen Kosmos ausgelegt sind. 

Der große Vorteil gegenüber den gewöhnlichen Bits liegt darin, dass Qubits die Zustände 0 und 1 gleichzeitig annehmen können. Dies wird als Superposition bezeichnet und gilt jedoch nur so lange, bis die im entsprechenden Qubit gespeicherte Information ausgewertet wird. Denn bei der Evaluierung muss sich auch das Qubit entscheiden, welchen festen Wert es annimmt. Zum einfachen Verständnis kann man sich hier das Gedankenexperiment von Schrödingers Katze vorstellen: Die Katze ist solange gleichzeitig tot und lebendig, bis die Kiste geöffnet wird. Genauso ist das Qubit gleichzeitig eine 0 und eine 1, bis die Überprüfung durch die Evaluation nach dem Ende der Berechnung stattfindet.

Dies ermöglicht es den Quantencomputern, Berechnungen mit vier anstelle von nur zwei Variablen durchzuführen. Bildlich gesprochen stehen ihnen quasi die Bits 00, 01, 10 und 11 zur Verfügung. Außerdem ist es auch möglich, mit diesen Zuständen parallel verschiedene Rechenwege einzuschlagen. Hierdurch ist es möglich, mehrere Berechnungen gleichzeitig auszuführen, was mit lediglich zwei Bits nicht möglich ist.

Mit der Superposition ist es somit möglich, dass mit vier Qubits 4², also 16, Zustände angenommen werden können. Mit dem Binärsystem der klassischen Bites ist jedoch nur einer der 16 Zustände (0 bis 15) möglich. Bei entsprechend mehr verfügbaren Qubits erhöht sich die Rechenleistung somit exponentiell. Ein Quantencomputer mit 50 Qubits hätte bereits eine höhere Rechenleistung als derzeitige Supercomputer wie sie beispielsweise in CERN eingesetzt werden.

Herausforderungen und Forschungsstand beim Quanten-Computing

Um einen funktionsfähigen Quantencomputer zu schaffen, müssen also möglichst viele Qubits kombiniert werden. Hierzu gibt es derzeit verschiedene Ansätze, die alle gewisse Vor- und Nachteile mit sich bringen.

IBM und Google setzen auf die elektrische Leitfähigkeit des Materials zum Bau der Quantenprozessoren. Dazu werden die Qubits aus supraleitendem Material hergestellt und sind kleine Inseln von isolierten Ladungen auf einem Halbleiter-Material. Supraleiter sind dabei Materialien, deren elektrischer Widerstand bei Unterschreiten der sog. Sprungtemperatur abrupt auf 0 abfällt.

Das größte Problem ist dabei, dass für die in Qubits benötigten Materialien Temperaturen von knapp -273 Grad Celsius notwendig sind. Nur so erhalten diese ihre supraleitenden Eigenschaften. Während das im Labor zwar möglich ist, ist es für die Anwendung in alltäglicheren Situation undenkbar. Und selbst in den Laborexperimenten liegt die Betriebsdauer der Quantencomputer noch bei nur wenigen Mikrosekunden. Um wirtschaftlich effizient zu sein, müsste die Betriebsdauer jedoch in die Größenordnung von Minuten gesteigert werden. Nur dann können entsprechend hochkomplexe Aufgaben, wie beispielsweise Optimierungsprobleme mit unzähligen Variablen gelöst werden, für die der Einsatz der Quantencomputer sinnvoll ist. Der große Vorteil dieser Methode ist jedoch, dass die Chipsätze für die Qubits mit herkömmlichen Verfahren der Halbleiterindustrie hergestellt werden können. Google erreicht so aktuell 37 verwendbare Qubits und strebt an, die Grenze der 50 Qubits bis Ende 2019 erreicht zu haben.

Ein zweiter Ansatz ist, Ionen zu kühlen und diese als Qubits zu verwenden. Diese werden dazu mittels Magnetfeldern in einem Vakuum gehalten und mit Laser befeuert, um ihre (Super-) Position zu beeinflussen. Forscher der Sussex Universität konnten hierdurch auch Qubits schaffen, die logische Operationen durchführen können. Der große Vorteil dieser Methode ist, dass sie auch bei Raumtemperatur möglich ist. Die hohen Kosten und der enorme Platzbedarf verringern sich also. Allerdings muss hierfür die Technik komplett neu gebaut werden und es kann nicht auf gewöhnliche Fertigungsverfahren zurückgegriffen werden. Auch wird für jedes Qubit ein eigener Laser benötigt, was die Kosten und Komplexität wiederum enorm steigert. Mit einem voll funktionsfähigen Prototyp rechnen die Forscher in ca. zwei Jahren.

Die dritte derzeit untersuchte Methode ist es, Photonen als Qubits zu verwenden. Auch hier können die Systeme auf Zimmertemperatur betrieben werden und sind dadurch nicht so fehleranfällig wie die Qubits von IBM und Google. Solche optischen Quantencomputer können derzeit mit sechs Qubits arbeiten, liegen also deutlich hinter dem Tiefkühl-Ansatz zurück. Außerdem kommen dabei komplett neue Technologien zum Einsatz, die noch wenig erprobt sind. Damit ein optisches Quantencomputer-System mit mehr Qubits wirklich einsatzfähig wird, sind noch viele physikalische Durchbrüche notwendig. Ob diese überhaupt realistisch sind, ist derzeit noch hoch umstritten.

Ausblick auf Anwendungsgebiete von Quantencomputern

Bei normalen Computern war es vor knapp 80 Jahren kaum möglich, alle zukünftigen Anwendungsgebiete zu benennen. Ähnlich ist das auch bei Quantencomputern. In absehbarer Zeit gibt es aber vor allem vier denkbare sinnvolle Anwendungsmöglichkeiten:

  • Komplexe Optimierungsprobleme: Beispielsweise die Routenplanung für Außendienst-Mitarbeiter. Herkömmliche Computer können Routen mit fünf bis zehn Stationen noch effizient berechnen. Je mehr Stationen hinzukommen, desto zeitaufwendiger und schlussendlich unwirtschaftlicher wird die Planung. Für groß angelegte Routen oder Kampagnen können Quantencomputer also helfen, die optimalen Strecken zu berechnen.
  • Simulationen: Die Simulation von Molekülen und ihrer wechselseitigen Beziehungen untereinander auf molekularer Ebene ist für gewöhnliche Computer schlichtweg zu komplex. Hierdurch wäre es aber möglich, beispielsweise die Wirkung von Medikamenten zu simulieren, bevor diese in Tier- oder Menschenversuchen eingesetzt werden. 
  • Big Data: Qubits sind wie gemacht für die Verarbeitung extrem großer Zahlen und Datensätze. Im Prinzip wäre es mit Quantencomputern möglich, alle Big Data Anwendungen deutlich effizienter auszuführen und Informationen noch besser zu verknüpfen. Denkbar ist hier beispielsweise die Koordiation selbstfahrender Autos. So könnten die Routen automatisch an das Verkehrsaufkommen angepasst und die Kommunikation zwischen den Fahrzeugen erheblich verbessert werden. Dies hätte eine deutlich höhere Verkehrssicherheit und Effizienz des Straßenverkehrs zur Folge.
  • IT-Sicherheit: Durch Kryptographie, die auf Quantencomputern basiert, wären IT-Sicherheitssysteme quasi nicht zu knacken. Hier könnten Algorithmen verwendet werden, deren Entschlüsselung mehr Stunden in Anspruch nähme als es Atome in der Milchstraße gibt. Eine Zeit die in kein Hackerleben passt. Gerade zu Beginn der Quantencomputer könnte sich jedoch auch ein Sicherheitsrisiko ergeben: herkömmliche Verschlüsselungssysteme und Passwörter wären von Quantencomputern sehr leicht zu knacken. Denn diese können die verschiedenen denkbaren Kombinationen gleichzeitig, statt nur nacheinander, durchtesten und rechnen ungemein viel schneller. Eine Verschlüsselung, an denen heutige Supercomputer scheitern, wäre für einen Quantencomputer ein Hindernis von maximal wenigen Sekunden.

Wir bieten zwar kein Quanten-Computing, aber umfassenden IT-Support für alle Ihre IT-Systeme.

Über den Autor

Tobias Roller

Technik begeistert: Chancen der Digitalisierung, moderne Apps und zukünftige Trends stehen im Mittelpunkt meiner Beiträge.

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