May 19, 2023

Quantencomputer – Die Zukunft unseres PCs?

Ein Blog von Clemens Wolfsberger und Eduard Smola

Was sind Quantencomputer?

Quantencomputer sind Computer, die im Vergleich zu herkömmlichen Rechnern auf der Wechselwirkung quantenmechanischer Zustände basieren. Sie arbeiten also nicht mit klassischen Bits, die die Zustände 1 oder 0 annehmen können, sondern mit Quantenbits, auch Qubits (Quanten-Bit), genannt. Im Gegensatz dazu können Qubits gleichzeitig im Zustand 1 und 0 sein oder auch in theoretisch unendlich vielen dazwischen. Vorstellen kann man sich das mithilfe einer Münze: Bei einem klassischen Bit kann sie entweder auf Kopf oder Zahl landen. Ein Qubit verhält sich so wie eine in die Luft geworfene Münze, die sich ganz schnell dreht. Es kann nicht gesagt werden, in welchem Zustand sie sich gerade befindet, sie ist in beiden Zuständen gleichzeitig.

In der Quantenphysik wird das durch zwei Schlüsselprinzipien möglich: Superposition und Verschränkung. Superposition bewirkt, dass ein Qubit die Zustände 1 und 0 gleichzeitig annehmen kann, so wie bei der sich drehenden Münze: Erst wenn sie gestoppt wird, also der Ausgang gemessen wird, nimmt sie einen Zustand an. Verschränkung heißt, dass Qubits quantenverschränkt sein können, also miteinander verbunden sind. Bringt man ein Qubit in einen bestimmten Zustand, ändert sich im selben Moment auch der Zustand der verbundenen Qubits mit Überlichtgeschwindigkeit. So können Rechenoperationen überlichtschnell ablaufen, weil mehrere Qubits miteinander quantenverschränkt sind.

Für die Rolle des Qubits ist alles geeignet, was eine Superposition bilden kann: Neutronen, Elektronen und Photonen. Als Speichermedium für die Qubits können supraleitende Metalle wie Niob verwendet werden.

Was bringen sie uns?

Vor allem durch die quantenmechanischen Eigenschaften eines solchen Computers, sind die Einsatzmöglichkeiten aktuell ganz andere als bei herkömmlichen PCs. Vor allem sehr komplexe Berechnungsprobleme lassen sich mit Quantencomputern ausgesprochen schneller lösen als mit den aktuell besten Geräten. Ein Beispiel dafür wäre das Faktorisieren von sehr großen Zahlen. Herkömmliche Computer würden dafür weitaus mehr Zeit benötigen als die “neuen” Quantencomputer. Vor allem für die Kryptographie spielt dies eine große Rolle, da dort viel mit dem Potenzieren und der benötigten Zeit dafür gearbeitet wird. Auch die Simulation von neuen Medikamenten und Behandlungsarten sowie chemische Reaktionen lassen sich mit Quantencomputern sehr viel schneller und ressourcenschonender umsetzen. So könnten uns jene Geräte dabei helfen, die Tierversuche zu verringern und viel schneller, viel mehr Behandlungsarten und Medikamente zu entdecken. Auch die Daten, von bzw. für Künstliche Intelligenzen (kurz KI), welche gerade sehr im Hype sind, könnte man sehr viel schneller und genauer verarbeiten, was zu beträchtlichen Sprüngen in der Weiterentwicklung von diesen führen könnte. Natürlich gibt es noch weitaus mehr Anwendungsfälle und somit haben die Quantencomputer eine Menge an Aufmerksamkeit verdient und könnten die IT, sowie andere Branchen, revolutionieren.

Nachteile

Aber natürlich haben Quantencomputer, zumindest im aktuellen Stadium, auch Nachteile. Vor allem die Fehleranfälligkeit ist immer wieder ein großer Punkt, der von zahlreichen Forscher:innen erwähnt wird. Da Qubits mit Wahrscheinlichkeiten funktionieren, sind diese überaus empfindlich gegen jegliche Störungen, wie: Rauschen, Wärme und elektromagnetische Strahlung, da jene Behinderungen den Status eines Qubits verfälschen könnten bzw. einen Verlust von Daten herbeiführen könnten. Natürlich gibt es sehr komplizierte Verfahren, die diesen Problemen entgegensteuern, jene Verfahren benötigen aber zusätzliche Ressourcen, was die Skalierbarkeit eines Quantencomputers erschwert und Komplexität und Kosten zur Folge hat. Wie schon erwähnt, spielt die Komplexität eine große Rolle. Das Programmieren von Quantencomputern erfordert oft mehr Zeit als bei herkömmlichen PCs und das Maß des benötigten Fachwissens ist sehr hoch. Da Quantencomputer sehr spezielle Infrastrukturen und hochspezialisierte Ausrüstung benötigen, ist der Betrieb und Bau eines solchen Computers sehr teuer. Als Beispiel muss man einige Teile dieses Geräts bis zum absoluten Nullpunkt kühlen, was ein großes logistisches und kostenintensives Problem darstellt.

Quantencomputer sind außerdem sehr viel bessere Verschlüsselungs-Knacker als unsere aktuellen Computer. Das hört sich erstmal nicht nach einem Nachteil an, doch bereits jetzt sichern sich Geheimdienste und Unternehmen verschlüsselte, hochsensible Daten, mit der Hoffnung, diese irgendwann, mit Quantencomputern, entschlüsseln zu können. Das heißt: Alle Daten, die wir aktuell verschicken, könnten in geraumer Zeit entschlüsselt werden.

Wann wird es sie geben?

Die Frage, ab wann Quantencomputer in der Praxis verwendet werden können, ist nicht leicht zu beantworten. Jederzeit können neue Herausforderungen auftreten, möglicherweise erreicht man das Ziel eines frei programmierbaren, praxistauglichen Quantencomputers nie. Derzeit rechnet man aber mit einer Zeitspanne von circa zehn Jahren, bis erste funktionstüchtige Quantencomputer verfügbar sein werden.