Quantencomputer: Eine neue Ära hat begonnen

Quantencomputer: Einleitende Worte

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Heute melde ich mich mit einem sehr technischen Thema; dessen Verfassung mir viel Kopfzerbrechen bereitet hat, da ich hier keine Informatik & Physik Vorlesung halte möchte, euch aber dennoch aufzeigen, was so fantastisch an dieser Entwicklung des Quanten-computers ist. Der Artikel ist so aufgebaut, dass ich euch in aller Kürze erkläre, was ein Quantencomputer ist und danach auf die etwas schwereren Erläuterungen eingehe.

Was ist ein Quantencomputer?

Ein klassischer Computer arbeitet auf Basis klassischer physikalischer Gesetze und in der Informatik bekannten beiden Zuständen 0 oder 1; also ja oder nein; also wahr oder falsch. Fachlich etwas plump formuliert, besteht ein klassischer Computerchip aus sogenannten Logic-Gates. Diese können entweder 0 oder 1 sein.  Verkettet man mehrere davon, kann man eine Reihe von entweder Nullen oder Einsen erhalten. Diese bilden sog. Bits und den sogenannten Binärcode; den jeder Computer verwendet. Ordnet man jeder Zahl, oder jedem Buchstaben eine solche Folge zu, kommt man bei Konventionen wie ASCII oder UTF-8 raus, welche eine internationale Übersetzungstabelle bilden.

Heißt, wenn ihr auf dem PC ein Wort schreibt, wird dies intern in eine Folge von Nullen und Einsen umgewandelt, welche sich an obigen Konventionen orientieren sollte…

Soweit so gut.

Was hat das mit Quantencomputern zu tun?

Klassische Computer können per Gate nur einen solchen Zustand annehmen; 0 oder 1. Ein Quantencomputer ist ein Prozessor, dessen Funktionalität sich an der Quantenmechanik ausrichtet und somit quantenmechanische Zustände einnehmen kann. Dies erfolgt über sogenannte Qubits, welche mehr als einen Zustand gleichzeitig haben und somit mathematische Probleme deutlich schneller, bzw.
überhaupt lösen können, sofern man diese den klassischen Computern gegenüberstellt.

Klingt kompliziert, ist es auch! Aber wir fangen mal ganz von vorne an.

Quantencomputer: Historischer Abriss

Bereits in den 1990ern konnten mit wenigen Qubits ausgestattete Quantencomputer gebaut werden. Unter anderem wurde im Jahr 2001 der Shors-Algorithmus anhand 7 Qubits realisiert und die Zahl 15 in ihre Primfaktoren zerlegt werden. Im Jahr 2009 wurden an der Yale Universität zum ersten Mal sog. Quantenalgorithmen eingesetzt, welche sich mittels supraleitender Qubit-Register aufgebaut waren.

So ging die Forschung weiter, mit einem Aufreger im Jahr 2014, als durch ein Dokument von Edward Snowden bekannt wurde, dass die NSA an einem Quantencomputer arbeitete, welcher zu Kryptographie Zwecken gebaut werden sollte.

Um die sogenannte Quantenüberlegenheit zeigen zu können, schätzte Google 2018, dass ca. 49 Qubits benötigt werden würden.

Am 23. Oktober 2019 hat Google es innerhalb von 200 Sekunden geschafft eine Berechnung auszuführen, welche mit normalen Computern ca. 10.000 Jahre gebraucht hätte.

Quantenüberlegenheit!

Qubit? Was ist das jetzt?

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Photo by Brett Sayles

Wie bereits gesagt, werden in einem klassischen Computer, Informationen in Bits (0 oder 1) dargestellt. Dies passiert in einem Quantencomputer ebenso, mit der Ausnahme, dass bei einem Qubit, nicht nur die einzelnen Zustände eintreten, sondern Überlagerungen (angelehnt an den Spin bei Elektronen) auftreten können. Diese Überlagerung wird auch Superposition genannt.

Die Qubits werden dann zu sogenannten Quantenregistern zusammengefasst und der Zustand des Registers folgt den Gesetzen der Vielteilchen-Quantenmechanik und kann Zustände, aus einem 2 hoch N dimensionalen Hilbert Raum annehmen. Die Basis nennt man hier Dualbasis, da auch sämtliche Überlagerungszustände möglich sind. Dies nennt man auch Verschränkung.

Hilbert was, nochmal wozu ist das Zeug?

Bei einem klassischen Computer kann man einen Zustand durch bspw. ein N-Bit Register darstellen, wenn man N-Bits zur Verfügung hat.  Bei der Verschränkung eines Quantenregisters ist es aber ein Vektor aus einem 2 hoch N dimensionalen Vektorraum. Kurz: Wenn N besonders groß wird, dann ist 2 hoch N deutlich größer als N.

Dadurch kann mittels des Superpositionsprinzips eine Parallelität erzeugt und Ergebnisse erreicht werden, welche den klassischen Parallelrechnern weitaus überlegen ist.

Wie sieht jetzt ein Quantencomputer aus?

Man benötigt hierzu ein skalierbares System aus Qubits, welche in einen vordefinierten Anfangszustand gebracht werden können. Man muss die Qubits auslesen und die Fehler (Dekohärenzzeit) klein halten können. Zudem müssen stationäre und mobile Qubits eine Schnittstelle aufweisen und die mobilen Qubits austauschbar sein.

Puh, klingt kryptisch…

Hier einige Bilder: So sieht das Ding aus:

Aber wozu die Aufregung? Was bringen die Teile?

Mittels der Quantencomputer, können komplexe mathematische Berechnung in einer massiv kürzeren Zeit und in einigen Fällen überhaupt erst berechnet werden. Dies öffnet die Tore für eine vielfältige Varietät an Anwendungsmöglichkeiten.

Berechnungen zum Universum, Physik und Forschung sind alle möglich und können nun in einer ganz neuen „Dimension“ angegangen werden.

Naive Träumerei oder Rand einer neuen Ära der Menschheit?

In einer Zeit in der die Menschheit vor ganz andere Probleme, wie z.B. Klimawandel, Krieg, wirtschaftliche & politische Anfeindungen und sonstige unnötige Vorkommnisse gestellt ist, kann man sich durchaus fragen: Haben wir nichts Besseres zu tun? Durchaus, den geistigen Sprung von unserer gelebten Realität zur Imagination der Anwendungsmöglichkeiten eines (vllt. noch viel viel weiter entwickelten) Quantencomputers, mag schier hart sein.

Dennoch, stellt euch einfach vor, alle uns bekannten mathematischen Probleme berechenbar zu machen und dies tatsächlich zu lösen! Wem der technologische Wandel jetzt schon schnell vorkommt, könnte im Strom der hierdurch entstehen könnte ertrinken.

Quantencomputer - Videos

Quellen

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