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Wie funktioniert ein Quantencomputer?

(Foto: Google)

Quantencomputer gelten als der nächste große Schritt, der Nullen und Einsen, wie wir sie kennen, für immer verändern könnte. Während sie eine Menge Dinge schneller und besser können, haben sie aber auch ihre Grenzen.

In der öffentlichen Wahrnehmung kann Quantencomputing im Grunde mit dem Begriff Blockchain gleichgesetzt werden: Keiner weiß so recht, was die Technologie macht, also geht man einfach mal davon aus, dass sie sämtliche Probleme der Welt löst und die Weltformel gibt’s auch noch dazu. Während in beiden Bereichen schon seit Jahren entwickelt wird und bei Blockchains auch schon die ersten Anwendungsfälle auf dem Markt sind, steckt das Quantencomputing noch in den Kinderschuhen. Denn die Technologie dahinter ist nicht gerade trivial und arbeitet mit Modellen der modernen und somit jungen Quantenphysik, die noch zahlreiche Fragen aufwirft.

So funktionieren Quantencomputer

Normale Prozessoren sind nach dem Prinzip aufgebaut, dass auf ihren Transistoren jeweils entweder Strom fließt oder nicht, sprich als Null oder Eins interpretiert werden kann. Kettet man davon ein paar Millionen oder Milliarden auf kleinster Größe zusammen und jagt sie durch komplexe Formeln und Befehlssätze, zaubert es euch zum Beispiel Roblox auf euer Display. Quantencomputing funktioniert etwas anders und da wird es jetzt ein bisschen abgefahren: Denn während ein normaler Transistor immer nur eine Null oder Eins in ein Bit „schreibt“, kann ein Qubit eines Quantencomputers beides gleichzeitig sein. Also da und nicht da, blau und grün, feucht und trocken. Deshalb ist er auch mit deutlich weniger Qubits deutlich schneller als klassische Prozessoren.

In der Quantenphysik nennt man diesen Zustand Superposition und wer bei der nächsten Party mit seinem Fachwissen im Mittelpunkt stehen möchte, kann sich hier mal das Gedankenexperiment zu Schrödingers Katze ansehen. Das erklärt das Paradoxon, dass ein Teilchen gleichzeitig zwei Zustände haben kann, an einem theoretischen Beispiel aus der echten Welt. Und genau das ist das Nicht-triviale beim Quantencomputing. Denn wenn ich nicht weiß, ob das Qubit jetzt eine Null oder eine Eins ist, kann ich mit der Information auch nicht wirklich etwas anfangen. Und um das Ganze jetzt noch eine Spur verwirrender zu machen: Das Qubit oder Quantenteilchen hält so lange beide Zustände inne, bis man es sich ansieht oder misst. Dann entscheidet es sich für einen. Folglich aufwändig ist der Bau eines funktionierenden Quantencomputers dann auch.

Tech goes Quantum

Warum beschäftigen sich die Tech-Unternehmen damit? Weil wir in naher Zukunft einen Punkt erreichen werden, an dem wir Transistoren nicht noch kleiner bauen und schneller machen können, immerhin geht es langsam auf Atomebene runter. Liegen die Leiterbahnen in dieser Größenordnung zu nah aneinander, kann nicht mehr sichergestellt werden, dass der Strom auch wirklich da hinfließt, wo er hinfließen soll, also eine bestimmte Null oder Eins erzeugt. Folglich sind hier Quantencomputer der nächste logische Schritt, und Unternehmen wie IBM, Google oder Rigetti betreiben einen immensen finanziellen Aufwand bei der Forschung, um die Computer der Zukunft zu entwickeln. Beispielsweise können momentan zwar sehr schnelle Berechnungen mit noch wenigen Qubits vorgenommen werden – aber das nur durch sehr komplexe Verfahren, beispielsweise durch das Herunterkühlen nahe dem absoluten Nullpunkt und dann steht der Bruchteil einer Sekunde Rechenzeit zur Verfügung.

IBM Q dürfte hier einer der prominentesten Player in diesem Bereich sein und sieht die Relevanz in der Zukunft für nahezu jede Industrie – in der einen oder anderen Form. Denn Quantencomputing hat durchaus seine Grenzen, beispielsweise ist die Berechnung von Echtzeitdaten zumindest momentan noch nicht möglich, was natürlich eine Menge Anwendungsfelder stark einschränkt. Bei der Berechnung von Simulationen oder in der Kryptografie ziehen Quantencomputer dagegen alle Register. Ein Umstand, der Sicherheitsforscher und uns alle beunruhigen sollte, denn potenziell ist das Knacken von heutigen Verschlüsselungsalgorithmen für einen Quantencomputer keine Herausforderung. Auch in der Crypto-Szene rauchen da schon die Köpfe und es wird bereits an ersten Blockchains gearbeitet, die sicher vor Quantencomputern sind.

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2 Kommentare
Michael
Michael

So weit ich weiss, kann nach wie vor keine Information mit Überlichtgeschwindigkeit übertragen werden. Da schon alleine das Auslesen der Quanteninformation das System verändern würde, kann man bloss Wahrscheinlichkeiten angeben. Das Ganze ist extrem komplex und mathematisch und lässt sich unter dem No-Communication-Theorem nachlesen. Auf jeden Fall wurde experimentell nachgewiesen, dass Informationen nicht über die Quantenverschränkung mit Überlichtgeschwindigkeit übertragen werden können… leider!
Schön zusehen, dass hier aber Einsteins Postulate weiterhin ihre Gültigkeit haben und die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit weiterhin die kosmische Tempolimite für Informationen darstellt.

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Jake Pietras

Hast Du da eine Quelle zu? Würde mich interessieren, denn die Quantenverschränkung „braucht“ ja keine Strecke, weshalb beide Prinzipien weiterhin gültig sein sollten. Vielen Dank vorab und Danke für den Kommentar!

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