Quantencomputer, fähig, heute unvorstellbare Probleme zu lösen, beflügeln die Fantasie. Fasziniert von ihrem Potenzial sind nicht nur Physiker, sondern auch Staaten und Großkonzerne. Doch bislang sind funktionierende Quantencomputer Zukunftsmusik. Was steckt also hinter dieser bahnbrechenden Technologie? Welche Hürden sind zu überwinden, welche Verheißungen warten auf uns?
Was ist ein Quantencomputer?
Definition
Ein Quantencomputer gleicht einem supra-effizienten herkömmlichen Computer.
Er arbeitet mit Bits, die entweder 0 oder 1 repräsentieren und führt Berechnungen sequenziell durch.
Dagegen nutzen Quantencomputer Qubits (Quantenbits), die Berechnungen auf atomarer Ebene ermöglichen. Basierend auf der Quantenphysik – genauer gesagt der Superposition von quantenmechanischen Zuständen – können sie 0 und 1 überlagern und multiple Berechnungen simultan ausführen. Erfahren Sie mehr über Quantencomputer.
Dieser Umstand ermöglicht es, komplexe Probleme deutlich schneller zu bewältigen, sofern eine hohe Anzahl von Qubits vorhanden ist. Mit steigender Qubit-Zahl wächst allerdings die Instabilität der Zustände.
Daher stecken Quantencomputer noch in den Kinderschuhen.
Wissenswert: Obwohl das volle Potenzial von Quantencomputern noch nicht ausgeschöpft ist, werden sie seit den 80er Jahren erforscht. Der Physiker Richard Feynman nutzte die Quantenmechanik, um Quantensysteme besser zu verstehen und legte den Grundstein für die Entwicklung der ersten Quantencomputer.
Quantencomputer vs. Quantum-Annealer
Häufig verwechselt, unterscheiden sich Quantencomputer und Quantum-Annealer jedoch erheblich.
Letzterer ist darauf spezialisiert, ein sehr bestimmtes Problem zu lösen und ist auf einen einzigen Algorithmus beschränkt.
Quantencomputer hingegen sollen beliebige Algorithmen verarbeiten können, um diverse Problemstellungen zu bewältigen. Diese Universalität ist es, die sie so komplex macht. Quantenalgorithmen.
Welche Herausforderungen müssen Quantencomputer meistern?
Aktuell sind Quantencomputer, wie wir sie uns vorstellen, noch nicht einsatzfähig. Die Herausforderungen sind enorm.
Das Skalierungsproblem
Je mehr Qubits ein Quantencomputer besitzt, desto performanter ist er – und umso schwerer wird sein Management.
Sie funktionieren nur bei extrem niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, da Informationstransfer in Qubits unweigerlich Wärme produziert. Die Herausforderung: mit einer steigenden Qubit-Anzahl eskalieren auch die Temperaturen, was zum Ausfall der Qubits führen kann.
Die derzeit leistungsfähigsten Quantencomputer verfügen über rund zehn bis einige hundert Qubits, für komplexe Algorithmen wären jedoch Tausende von Qubits nötig.
Das Dekohärenzproblem
Eine weitere große Herausforderung ist die Dekohärenz, also die Interaktion des Quantencomputers mit seiner Umgebung. Erfahre mehr über Dekohärenz.
Vergleichbar mit einem Kartenhaus, das mit jeder hinzugefügten Karte instabiler gegenüber Umwelteinflüssen wird.
Beim Quantencomputer kann bereits die kleinste Anomalie Fehler verursachen. Experten schätzen, dass auf jede 1000 Aktionen ein Fehler kommt.
Ein wirksamer Schutz gegen Umwelteinflüsse ist daher essentiell, wobei unterschiedliche Lösungsansätze bestehen:
- Festkörperkreise: wie Supraleiter oder Quantenpunkte, die eine große Menge von Qubits steuern, aber sehr dekohärenzanfällig sind.
- Gefangene Ionen, die sich gegen äußere Einflüsse behaupten, aber schwierig in einen Computerchip zu integrieren sind.
- Quantencodes: Fehlerkorrekturcodes, die weiterentwickelt werden müssen, um Quantencomputer realisierbar zu machen. Quantum Machine Learning.
Wozu dient ein Quantencomputer?
2022 flossen weltweit 35,5 Milliarden Dollar in Quantentechnologien, darunter 1,8 Milliarden Euro aus Frankreich. Die Begeisterung rührt von den Versprechungen der Quantencomputer her.
Was versprechen Quantencomputer?
Durch simultane Berechnungen können Quantencomputer enorme Datenmengen verarbeiten, weit mehr als unsere derzeitigen Computer im Big-Data-Zeitalter. Superrechner aus Quantentechnik.
Sie könnten sogar den Shor-Algorithmus einsetzen, den mächtigsten Algorithmus, der große Zahlen in signifikant kürzerer Zeit faktorisiert.
Google behauptet beispielsweise, ihr Quantenprozessor könne eine Berechnung in nur 3 Minuten abwickeln, für die ein klassischer Computer 10.000 Jahre benötigen würde.
Praktische Anwendungen von Quantencomputern sind unter anderem:
- Optimierung von Verschlüsselungstechniken in der Kryptografie (Shor’s Algorithmus könnte RSA-ähnliche Systeme brechen);
- Simulation chemischer Moleküle zur Entwicklung neuer Medikamente;
- Entwicklung komplexer Finanzsysteme;
- Produktion von Supraleitern bei Raumtemperatur für den verlustfreien Stromtransport;
- Verbesserung von KI- und Machine-Learning-Modellen; KI-Entwickler.
- etc.
Von Finanzwirtschaft über Industrie bis hin zur Medizin, Quantencomputer haben das Potenzial, aktuelle Arbeitsweisen zu revolutionieren. Hinzu kommen weitere Technologien wie Quantenkommunikation und Quantensensoren, die ebenfalls auf der Quantenphysik basieren.
Werden Quantencomputer Wirklichkeit?
Ob und wann Quantencomputer zur Realität werden, kann derzeit niemand beantworten; selbst Experten sind sich uneinig. Doch angesichts der hohen Investitionen in diese Technologie scheint es sehr wahrscheinlich. Vielleicht in drei, zehn oder zwanzig Jahren…
Sobald Quantencomputer einsatzfähig sind und ihre Versprechungen einlösen, dürften wir eine neue technologische Revolution erleben – vergleichbar mit dem Aufkommen des Internets und der künstlichen Intelligenz.
