Quantencomputer: Quantensprung in der Computertechnik

Die neuen Supercomputer

In unserem letzten Blog-Beitrag hatten wir bereits angedeutet, dass auch derzeit gängige Supercomputer irgendwann an ihre Grenzen kommen. Es gibt tatsächlich so komplexe Rechnungen, dass nicht mal zehntausend CPUs genug Rechenleistung aufbringen können, um diese zu lösen. Allerdings könnte eine neuartige Technologie Abhilfe verschaffen: Quantencomputer. Von diesen Computern verspricht man sich noch nie dagewesene Leistung, die die der gängigen Supercomputer bei Meilen übersteigt. Quantencomputer könnten der nächste einschneidende technologische Quantensprung in der Menschheitsgeschichte sein.

Was sind Quanten?

Bevor wir genauer auf diese neue Art von Computer eingehen, ist es notwendig zu erklären, was Quanten überhaupt sind. Als „Quant“ wird in der Physik der kleinstmögliche Teil einer physikalischen Größe bezeichnet. Wenn wir also bspw. ein Objekt so lange teilen, bis Stücke entstehen, die nicht mehr geteilt werden können, haben wir einen Quant erzeugt. Nach welchen Gesetzen Quanten funktionieren ist bis heute noch nicht ganz klar. Darum widmen sich der Ergründung von Quanten ganzer Forschungsfelder.

Funktion von Quantencomputern

Herkömmliche Computer arbeiten mit sog. Bits. Ein Bit kann zwei Zustände annehmen: entweder [1] oder [0]. Mit diesen zwei Zuständen können wir dann Informationen kodieren. Quantencomputer arbeiten hingegen mit den oben beschriebenen Quanten. Diese können in einem Quantencomputer bspw. Ionen (geladene Atome) sein. In Anlehnung an die herkömmlichen Bits werden die eingesetzten Quanten als Quanten-Bits oder kurz Qubits bezeichnet. Diese Qubits können ebenso den Zustand [1] oder [0] annehmen, aber sich auch gleichzeitig im Zustand [1] und [0] befinden, sowie jeden Wert zwischen [1] und [0] annehmen. Zur Verdeutlichung wählt man gerne das Bild einer Münze. Wenn die Münze sinnbildlich für ein klassisches Bit ist, liegt entweder Kopf oder Zahl nach oben. Wenn die Münze allerdings einen Qubit darstellen müsste, dann würde sie in die Luft geworfen werden und sich schnell um sich selbst drehen. Dadurch wird es unmöglich festzustellen, ob nun Kopf oder Zahl oben ist. Vielmehr sind beide Seiten jeweils oben und unten. Die möglichen Zustände bei einem Qubit sind demnach um einiges umfangreicher als bei Bits.

Noch schneller durch Qubits

Da Qubits theoretisch gleichzeitig unendlich viele Zustände annehmen können, ist der mögliche Informationsgehalt im Vergleich zu Bits auch um etliches höher. Um die Zahlen 0-3 darzustellen, braucht man zwei herkömmliche Bits und deren binäre Zustände ([0,0] = 0, [0,1] = 1, [1,0] = 2, [1,1] = 3). Für die gleiche Aufgabe reicht allerdings ein Qubit aus, da dieser theoretisch alle Zahlen alleine und zur selben Zeit darstellen kann. Sollten alle möglichen gleichzeitige Zustände eines Qubits nutzbar sein, würde man eine unvorstellbare Geschwindigkeit erreicht. Doch auch wenn nur zwei gleichzeitige Zuständen nutzbar sind, besteht ein deutlicher Vorteil zu herkömmlichen Bits, die nur jeweils einen einzigen Zustand einnehmen können. Der Vorteil wächst dabei exponentiell. Nach Berechnungen würden bereits 300 Qubits ausreichen, um mehr Werte zu speichern, als das Universum Teilchen hat.

Hinzu kommt, dass Qubits außerdem noch quantenverschränkt sein können. Das bedeutet, dass diese miteinander verbunden und voneinander abhängig sind. Wenn sich der Zustand eines quantenverschränkten Qubits ändert, ändert sich auch der Zustand aller Qubits, mit dem dieser verbunden ist. Dieser Vorgang ist schneller als Lichtgeschwindigkeit. Die Quantenverschränkung hat den Vorteil, dass Quantencomputer mit Überlichtgeschwindigkeit mehrere Berechnungen mit mehreren Eingaben gleichzeitig vornehmen können. Im Gegensatz zu herkömmlichen Computern, die lediglich eine Berechnung gleichzeitig erledigen können, ist das ein riesiger Vorteil.

Einsatzmöglichkeit von Quantencomputer

Quantencomputer könnten alles, was Supercomputer können, nur noch schneller und noch genauer. Die Simulation von Wechselwirkungen zwischen Molekülen zur Entwicklung von Medikamenten oder die umfangreiche Nachbildung von Klima und Natur in noch nie dagewesenen Maßstäben wird mit Quantencomputer möglich. Hinzu kommt, dass Quantencomputer erwiesenermaßen Simulationen erstellen und Algorithmen berechnen können, wozu kein Supercomputer derzeit ansatzweise in der Lage ist.

Doch wie bei allen neuen Technologien, ist auch das Militär interessiert an Quantencomputer. Dieses verspricht sich von den Computern, dass diese derzeit gängige digitale Verschlüsselungen im Handumdrehen knacken. In der digitalen Kriegsführung könnten die Geräte somit starke Waffen sein.

Betrieb von Quantencomputern

Quantencomputer versprechen viel, aber zuverlässige Geräte sind bislang noch Zukunftsmusik. Denn Quantencomputer sind noch nicht wirklich einfach zu betreiben. Teilchen (und damit auch Quanten) neigen dazu, sich bei einer bestimmten Menge an Energie zu bewegen. Wenn man Quanten aber kontrollieren möchte, was man in einem Quantencomputer zwangsläufig muss, müssen diese ruhig gestellt werden. Dies geschieht mit Kühlung. Die Chips der Computer müssen darum auf -273,7 Grad (annähernd absoluter Nullpunkt) heruntergekühlt und bei dieser Temperatur auch betrieben werden.

Hinzu kommt, dass Quanten sehr anfällig für Störungen sind und jede Störung würde den Zustand des Qubit zerstören. Darum werden viele Kosten und Mühen investiert, um die Computer von äußeren Einflüssen, wie z.B. magnetische oder elektrische Felder, abzuschirmen. Bislang gelingt es aber nur die Stabilität für Bruchteile einer Sekunde aufrecht zu erhalten. Instabilität kann wiederum zu einer Beeinträchtigung der Genauigkeit der Ergebnisse führen.

Herausforderung: Anzahl Qubits

Damit Quantencomputer in Zukunft tatsächlich einen neuen technologischen Quantensprung darstellen können, ist es notwendig, die Anzahl der zusammenarbeitenden Quanten drastisch zu vergrößern. IBM präsentierte Ende 2021 seinen neuen Quantenprozessor „Eagle“, der über 127 Qubits verfügt. Damit ist IBM die erste Institution, die die hunderter Marke geknackt hat. Laut Aussagen des US-Konzerns würden konventionelle Supercomputer für die gleiche mögliche Leistung mehr Bits benötigen, „als es Atome in jedem menschlichen Wesen auf dem Planten gibt.“ Doch nach Aussagen von Experten reicht diese Anzahl von Quanten noch lange nicht aus. Wirklich interessant würde es erst ab Tausend reibungslos zusammenarbeitenden Qubits. Das scheint noch ein langer Weg zu sein. Bedenkt man allerdings, dass der „Canary“-Quantenchip von IBM 2017 noch lediglich 5 Qubits aufweisen konnte, wird deutlich, dass die Steigerungsrate über die wenigen Jahre hinweg enorm ist.

Herausforderung: Genauigkeit der Ergebnisse

Allerdings ist die Anzahl der Qubits nicht die einzige Herausforderung. Denn eine große Menge an Qubits bringen nur etwas, wenn diese auch zuverlässig und genau zusammenarbeiten. Doch genau in puncto Genauigkeit gibt es eine riesige Herausforderung, die noch gemeistert werden muss. Wie bereits dargelegt können Qubits viele verschiedene Zustände gleichzeitig annehmen, mit anderen Quanten verbunden sein und in Überlichtgeschwindigkeit rechnen, solange sie ungestört sind und stabil gehalten werden. Sobald wir allerdings das Ergebnis der Berechnung aus den Qubits auslesen, stören wir eben diese. Die gleichzeitig vorhandenen Ergebnisse und Zustände zerfallen genau dann, wenn wir uns diese anschauen. Übrig bleibt dann nur noch ein einziger zufälliger Wert.

Um dieses Phänomen zu verdeutlichen wird gerne „Schrödingers Katze“ hinzugezogen. Dabei handelt es sich um eine Gedankenexperiment des Physikers Erwin Schrödinger. Dabei stellt man sich vor, dass sich in einer verschlossenen Kiste eine Katze, eine Ampulle mit Giftgas, ein Geigerzähler sowie ein instabiler Atomkern befindet. Die Ampulle mit Giftgas ist an den Geigerzähler angeschlossen und dieser wiederum zerstört die Ampulle und setzt damit das Gas frei, sobald der instabile Atomkern zerfällt. Wann oder mit welcher Wahrscheinlichkeit der Atomkern zerfällt ist unklar. Damit ist auch unklar, ob die Kettenreaktion schon ausgelöst wurde und die Katze bereits tot ist. Betrachten wir nun die Kiste von außen, sodass für das Innere der Kiste keine Wechselwirkung mit der Außenwelt besteht, könnte die Katze also sowohl tot als auch lebendig sein. Die Katze befindet sich quantenmechanisch in einem überlagerten Zustand, bei dem beide Zustände (tot und lebendig) gleichermaßen zutreffen können. Erst wenn wir den Deckel der Kiste öffnen und den zufälligen Zustand der Katze überprüfen bzw. das Ergebnis messen, würde sich uns entweder ein totes oder lebendiges Tier präsentieren.

Zufällige Ergebnisse erscheinen nicht wirklich erstrebenswert. Doch glücklicherweise lernen wir nach und nach Quantencomputer zu manipulieren. Dafür benötigt man ein sog. Quantenprogramm welches dafür sorgt, dass das Ergebnis, welches wir letztendlich messen, mit hoher Wahrscheinlichkeit jenes ist, welches wir gesucht haben. Dafür werden für alle möglichen Zustände der Qubits die Wahrscheinlichkeiten berechnet. Gepaart mit technischen Maßnahmen, um die Fehlerwahrscheinlichkeit in der Berechnung gering zu halten und einer abschließenden Ergebnisverifikation, können wir damit immer genauere und verlässlichere Ergebnisse erhalten.

Herausforderung: Programmierung

Wie bereits deutlich geworden sein sollte, funktionieren Quantencomputer ganz anders als herkömmliche Computer. Sie folgen ihren eigenen Gesetzen und sind oftmals nicht wirklich durchschaubar. Damit diese neuartigen Gräte aber nichtsdestotrotz vernünftig genutzt werden können, bedarf es Programme, um Aktionen o.ä. auszuführen. Damit diese Programme erstellt werden können, muss Programmieren völlig neu erfunden und damit auf die Eigenschaften von Quantencomputer angepasst werden.

Wettrennen um die neue Technologie

Die Herausforderungen sind enorm, aber ebenso sind es die wahrscheinlich entstehenden Möglichkeiten. Darum ist es nicht verwunderlich, dass ein buchstäbliches Wettrennen um diese neue Technologie ausgebrochen ist. Große Firmen mit riesigen Forschungsbudgets versuchen ihre Konkurrenz auszustechen. IBM, Google, Microsoft, Tencent, Hauwei und tausende weitere Unternehmen kämpfen um den Durchbruch. Doch noch viel größer ist der Wettlauf zwischen Ländern auf der ganzen Welt. Die USA hat 2018 1,2 Milliarden Dollar in die US Nation Quantum Initiative investiert. China möchte bis 2030 die führende Nation im Bereich Quantentechnologie sein. Deutschland hat Mitte 2021 2 Milliarden Euro für die Erforschung und Entwicklung von Quantencomputer bereitgestellt. Die EU stellt insg. 1 Milliarde Euro zum gleiche Zweck zur Verfügung.

Das ist ganz schön viel Geld für eine Technologie, die sich bis dato noch nicht wirklich bewiesen hat. Bislang haben Quantencomputer noch keine sinnvolle Anwendung beschleunigt. Doch es gibt Licht am Horizont: 2019 wurde das erstmal bewiesen, dass Quantencomputer Aufgaben lösen können, zu denen gängige Supercomputer nicht in der Lage sind. Googles Quantencomputer soll eine Rechnung in 200 Sekunden vorgenommen haben, für die klassische Supercomputer voraussichtlich 10.000 Jahre brauchen würden. Ein erster Schritt in Richtung „Quantenüberlegenheit“.

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