Quantencomputing

Was ist Quantencomputing?


Ein Quantencomputer ist ein Prozessor, der die Prinzipien der Quantenmechanik nutzt, um Berechnungen durchzuführen.

Die Funktionsweise eines Quantencomputers unterscheidet sich grundlegend von der eines klassischen Computers. Während klassische Computer lineare Berechnungen nacheinander durchführen, agiert ein Quantencomputer parallel.

In einem herkömmlichen Computer würde die Berechnung der optimalen Strecke von z.B. Berlin bis Frankfurt durch die Simulation verschiedener Fahrtwege nacheinander erfolgen. Jeder Weg wird unter Berücksichtigung spezieller Faktoren analysiert, und auf Grundlage dieser Einzelberechnungen wird eine Empfehlung für die beste Route gegeben.

Im Gegensatz dazu nutzt ein Quantencomputer die Eigenschaften von Quantenbits oder Qubits, anstelle von klassischen Bits. 

Qubits werden aus physikalischen Systemen wie dem Spin eines Elektrons oder der Ausrichtung eines Photons erzeugt.

Diese Qubits ermöglichen es dem Quantenprozessor, nicht nur eine, sondern mehrere Berechnungen gleichzeitig durchzuführen. Die Daten werden nicht sequenziell, sondern simultan durchsucht und verarbeitet. 

Dieses Phänomen des parallelen Rechnens ist das Ergebnis der quantenmechanischen Überlagerungszustände, die es einem Qubit erlauben, sowohl den Zustand 0 als auch den Zustand 1 gleichzeitig zu repräsentieren.

Anstatt wie klassische Bits entweder an oder aus zu sein, können sich Qubits also auch in einer quantenmechanischen „Superposition“ befinden, was bedeutet, dass sie gleichzeitig an und aus sind oder sich zwischen diesen beiden Zuständen befinden. Mit anderen Worten: Qubits können auch untrennbar miteinander verbunden sein, und zwar durch ein Phänomen, das als Quantenverschränkung bezeichnet wird und eine Wechselwirkung zwischen zwei Qubits erzeugt. Dies führt dazu, dass Quantencomputer eine große Anzahl möglicher Kombinationen gleichzeitig verarbeiten können. 

Um Quantum Computing zu verstehen, sind zwei physikalische Prinzipien bzw. Zustände von elementarer Bedeutung: Die Quantenverschränkung und das Superpositionsprinzip. 

Die Quantenverschränkung ist das fundamentale Prinzip von Quantencomputern, bei dem Qubits eine Verbindung namens Verschränkung eingehen. Diese Verschränkung ermöglicht es den Qubits, durch spezielle Magnetfelder miteinander in einer Wechselwirkung zu stehen, die ihre Verhaltensweise voneinander abhängig macht. Selbst über große Entfernungen hinweg bleiben sie miteinander verbunden. Änderungen an einem Qubit wirken sich sofort und unabhängig von der Distanz auf das mit ihm verschränkte Qubit aus.

Ein anschauliches Beispiel verdeutlicht die Quantenverschränkung: Beeinflusst man ein Qubit auf dem Mond, so werden gleichzeitig alle mit ihm verschränkten Qubits auf der Erde beeinflusst. 

Die Quantenverschränkung beeinflusst auch die Rechenleistung von Quantencomputern. Je mehr Qubits miteinander verschränkt sind, desto mehr Zustände können gleichzeitig berechnet und verarbeitet werden. Diese Verschränkung ermöglicht zudem das gezielte Rechnen mit Algorithmen, da die Qubits durch ihre Abhängigkeit voneinander kontrollierbar werden. Im Gegensatz dazu wäre das Rechnen unmöglich, wenn die Qubits vollständig unabhängig voneinander wären, ähnlich wie bei klassischen Computern, bei denen die Abhängigkeit der Eingaben das gezielte Rechnen erst ermöglicht.

Superposition ist das zweite grundlegende Prinzip von Quantencomputern, bei dem Qubits die Fähigkeit besitzen, für eine bestimmte Zeitspanne (Kohärenzzeit) zwei oder mehr Zustände gleichzeitig anzunehmen. Dies ermöglicht es, dass mit jedem hinzugefügten Qubit die Anzahl der gleichzeitig darstellbaren Informationen exponentiell zunimmt. Ein einzelnes Qubit kann zwei Zustände gleichzeitig annehmen, während mit zwei Qubits bereits vier Zustände möglich sind und diese Zahl mit jedem zusätzlichen Qubit exponentiell steigt. Die Superposition endet jedoch mit der Dekohärenz, dem Verlust der Superposition und Verschränkung.

Die Superposition, in Kombination mit der Verschränkung, ermöglicht Quantencomputern, Informationen parallel in verschiedenen Zuständen zu verarbeiten. Dies führt zu einer erheblichen Steigerung der Rechenleistung im Vergleich zu klassischen Computern. Ein Beispiel für die Anwendung der Superposition ist die Teilnahme eines Quantencomputers an einer Lottoziehung, bei der er mit einem einzigen Schein immer sechs Richtige und die Superzahl hätte, ohne auf Zufall angewiesen zu sein. Das Prinzip der Superposition trägt somit zu einem enormen Potenzial in verschiedenen Bereichen bei und erklärt teilweise den weltweiten Wettlauf um die Entwicklung leistungsfähiger Quantencomputer.

Quantencomputer sind mit ihrer Leistung und parallelen Berechnungsweise in der Lage, riesige Datenmengen besonders schnell und effizient zu bearbeiten. Das Experiment von Google und seinem Quantencomputer „Sycamore“ belegte 2019 die Überlegenheit (Quantum Supremacy) gegenüber Computern: Wofür ihr Quantencomputer mit 53 Qubits nur 3 Minuten und 20 Sekunden brauchte, hätte der leistungsstärkste Supercomputer schätzungsweise 10.000 Jahre gebraucht.

Fünf Bereiche, für die Quantencomputer besonders wichtig sein werden, sind zum Beispiel:

• Die Optimierung von Logistik- und Transportprozessen, für die in Echtzeit die beste Option errechnet werden kann.
• Die Entwicklung von Medikamenten und Impfstoffen, da die Rechenleistung aufwendige Laborarbeit erleichtern würde und Moleküle sehr getreu nachgebildet werden könnten.
• Die Simulation und Entwicklung neuer Materialien, für die im Voraus spezifische Eigenschaften und verlässliche Vorhersagen berechnet werden könnten.
• Die Wettervorhersage, die dank Einberechnung verschiedener Faktoren viel besser vorhergesagt werden könnte.
• Die Künstliche Intelligenz und Machine Learning, für die eine Suche nach Auffälligkeiten sowie Mustern in riesigen Datenmengen (data mining) von besonderer Bedeutung wäre.