Quantencomputing: Bedeutung, Vorteile & mehr

Quant Computing ist die Anwendung quantenmechanischer Prinzipien bei der Durchführung von Berechnungen. Die hier verwendeten Grundphänomene sind Verschränkung und dem Überlagerung.

Während Quanten Computing Während Quantenmechanik ein relativ neues Schlagwort ist, gibt es sie schon viel länger. Es war für wichtige Entwicklungen in der Elektronikindustrie verantwortlich und bietet darüber hinaus Antworten auf viele Rätsel der Menschheit.

Die Quantenmechanik konzentriert sich auf die Funktionsweise von Atomen und subatomaren Teilchen, während sich das Wort Quanten auf das kleinste Teilchen bezieht, mit dem man arbeiten kann. Das ist der grundlegendste Baustein eines jeden physischen Objekts.

Von Max Planck über Albert Einstein, Neils Bohr und Erwin Schrödinger waren viele große Wissenschaftler an der Entwicklung der Quantenmechanik und ihrem letztendlichen Höhepunkt im Wettlauf der Quantencomputer beteiligt – einem der größten Technologierennen unserer Zeit.

Dieser Beitrag führt Sie in die magische Welt der Quantenphänomene, zeigt Ihnen, wie Sie daraus einen Computer bauen, und erforscht seine verwandten Gebiete.

Gruselige Action aus der Ferne

Quantenphänomene entziehen sich konventionellem Verständnis und arbeiten zu völlig anderen Begriffen als die klassische Physik. In den 1930er Jahren benutzte Einstein also die Worte „spukhafte Fernwirkung“, um das Phänomen der Quantenverschränkung zu beschreiben und zu beschreiben, dass es nicht in die konventionelle Wissenschaft passt.

Quantenverschränkung ist nichts Neues. Wenn Sie zwei Partikel an derselben Stelle und im selben Moment erstellen, verschränken sie sich. Das heißt, was auch immer dem einen passiert, beeinflusst den anderen.

Es ist, als würde man sich verlieben und einen Anruf bekommen, wenn man an seinen Geliebten denkt. Oder einen Anruf tätigen und „Ich wollte dich gerade anrufen“ hören. Es ist auch bekannt, dass eineiige Zwillinge gleichzeitig erkranken.

Der gruseligste Teil der Quantenverschränkung ist, dass man eines der verschränkten Teilchen weit wegnehmen kann. Und welchen Bedingungen Sie es auch aussetzen, es wirkt sich sofort auf das zweite Teilchen aus, sogar aus einer halben Galaxie entfernt.

Quantencomputer nutzen diese Eigenschaft, um riesige Informationsmengen über mehrere Teilchen gleichzeitig zu speichern. Diese Teilchen werden Qubits oder Quantenbits genannt, aber zunächst ein Blick auf das zweite quantenmechanische Phänomen.

Erwin Schrödinger & seine Katze

Ein weiterer früher Quantenforscher war der österreichische Physiker Erwin Schrödinger, der ebenso wie Albert Einstein Teile von Quantenphänomenen lächerlich fand. Also entwickelte er das inzwischen berühmte Gedankenexperiment „Schrödingers Katze“, um das Paradox der Quantensuperposition zu visualisieren.

Dieses Experiment besagt, dass, wenn Sie eine Katze und etwas, das die Katze töten könnte, in eine Kiste gelegt und diese versiegelt wird. Sie würden nicht wissen, ob die Katze tot oder lebendig war, bis Sie die Schachtel öffneten. Die Katze war also logischerweise sowohl tot als auch lebendig, bis Sie die Schachtel öffnen.

Superposition ist das zweite Phänomen, das Quantencomputer ermöglicht. Während klassische Computer mit Informationsbits arbeiten, die zu einem bestimmten Zeitpunkt entweder 1 oder 0 darstellen können, arbeiten Quantencomputer mit Qubits (Quantenbits), die gleichzeitig 0 und 1 darstellen können, genau wie die Katze, die sowohl tot als auch . war lebendig.

Hier ist ein genauerer Blick auf Qubits.

Das Bit gegen das Qubit

Das Qubit macht Quantencomputing möglich. Ein Qubit, auch als Quantenbit oder qbit bezeichnet, ist die kleinste Energieeinheit, die Sie manipulieren können, um Informationen zu speichern und abzurufen.

Ein normales Computerbit kann zu einem bestimmten Zeitpunkt nur 0 oder 1 sein. Während ein Quantenbit beides gleichzeitig sein kann. Zwei reguläre Bits können daher jederzeit 00, 01, 10 und 11 enthalten. Aber zwei Quantenbits können alle vier Zustände gleichzeitig halten. Dies bedeutet 4x schnellere Rechenzyklen.

Mit 3 regulären Bits können Sie jederzeit entweder 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 und 111 erhalten. Aber 3 Qubits halten alle acht Zustände gleichzeitig, was Ihnen 8x schnellere Rechenzyklen ermöglicht. Wie Sie sehen, ist diese Beziehung exponentiell, dann verdoppelt jedes zusätzliche Bit die verfügbare Informationsmenge.

Bei 5 Qubits betrachtet man also 32 gleichzeitige Zustände, bei 10 Qubits sind es über 1,000 Zustände und bei 20 Qubits über eine Million. Überlegen Sie nun, wie viele Staaten die 1,000-Qubit-Quantencomputer die IBM und Google entwickeln, kann gleichzeitig halten.

Du kannst Qubits daraus machen Photonen, Elektronen, Atomkerne, Quantenpunkte, Supraleiter, und andere Implementierungen. Das Ziel ist es, eine stabile Sammlung von Quanten-Energiebits zu erstellen, die Sie bequem nach Belieben einstellen und messen können.

Vorteile von Quantencomputing

Der große Vorteil des Quantencomputings sind sofortige Ergebnisse aus komplexen Problemen. Dies geschieht vor allem in Situationen, in denen Sie aus vielen Möglichkeiten die richtige Antwort auswählen müssen. Und das macht sie ideal für die Berechnung von Zahlen, groß angelegte Simulationen und die Mustererkennung künstliche Intelligenz.

Der Standardansatz für klassische Computer besteht darin, jede Möglichkeit zu untersuchen, bis Sie gefunden haben, wonach Sie suchen. Diese Operation wird oft als Nadel in einer Heuhaufensuche bezeichnet. Die Dauer dieser Operation hängt davon ab, wie viel Heu oder Datensätze Sie durchsuchen müssen. Und wie schnell Ihre Maschine ist.

Supercomputer erleichtern solche Probleme, indem sie die Geschwindigkeit der Überprüfung jeder Möglichkeit erhöhen. Quantencomputer hingegen können alle Möglichkeiten gleichzeitig generieren, wenn genügend Qubits zur Verfügung stehen. Deshalb können sie Probleme in wenigen Stunden berechnen, für deren Berechnung gewöhnliche Computer Hunderte bis Tausende von Jahren benötigen.

Quantencomputer Probleme und Einschränkungen

Während Sie Bits in einem klassischen Computer leicht messen können, zerstört die Messung eines Qubits seinen Zustand und den seiner verschränkten Qubits.

Außerdem werden klassische Bits aus einer Vielzahl von Halbleitermaterialien hergestellt, die nur entweder eine Ladung halten müssen (1) oder nicht (0). Qubits sind jedoch viel komplexer und schwieriger zu implementieren. Und zusätzlich zur räumlichen Isolierung eines Qubits müssen Sie es vor Umwelteinflüssen wie Temperatur- und elektrostatischen Schwankungen abschirmen. Denn solche kleinen Umweltveränderungen werden auch diese Zustände korrumpieren.

Dieser Verlust der Verschränkung oder des Systemgleichgewichts wird als Quantendekohärenz bezeichnet und ist das Hauptproblem, das die meisten Forscher zu lösen versuchen. Es ist so schwerwiegend, dass die kommende 1,000-Qubit-Maschine von Google bis zu 1,000 Qubits für die Fehlerkorrektur jedes Qubits benötigen wird. Damit ist es eine 1-Millionen-Qubit-Maschine.

Es bedeutet auch, dass Sie einen Quantencomputer derzeit nicht wie einen Laptop oder ein Smartphone handhaben können. Der Computer benötigt Laborbedingungen, um ein sicheres Stabilitätsniveau für seine Qubits aufrechtzuerhalten.

Ein weiterer Nachteil ist die begrenzte Reichweite der sogenannten Quantenvorherrschaft, denn nicht jedes Rechenproblem beinhaltet große Mengen an Zahlen oder Möglichkeiten. Daher ist der Rechenschub bei den meisten anderen Operationen zu unbedeutend, um einen Quantencomputer-Ansatz zu rechtfertigen. Und wenn Quantencomputer nicht billiger sind als klassische Computer, werden sie diese auch so schnell nicht ersetzen.

Trotz all dieser Nachteile bergen Quantencomputer und ihre Qubits aufgrund der großen Anzahl, die sie problemlos handhaben können, großes Potenzial in der Computerindustrie.

Gibt es Gefahren beim Quantencomputing?

Ja. Jeder gute Hacker weiß, dass jede Technologie eine Lücke hat. Man muss es nur finden. Unabhängig von der tatsächlichen Implementierung von Quantencomputern in der Zukunft wird es also immer noch Probleme mit der Technologie geben. Und Schauspieler, die bereit sind, daraus Kapital zu schlagen.

Dieses Szenario bezieht sich auf Verwendungszwecke wie Bankgeschäfte, Finanzen, Regierung und ähnliche öffentliche Aktivitäten. Ein zweites Szenario wäre, wenn ein böswilliger Akteur die erstaunliche Leistungsfähigkeit eines guten Quantencomputers nutzt, um eine Leistung zu vollbringen. Und wie immer wird man sich einer solchen Möglichkeit erst bewusst, wenn die Tat vollbracht ist.

Quantencomputing funktioniert gut mit Zahlen. Daher sind asymmetrische Verschlüsselungsalgorithmen, die Faktorisierung verwenden, wie der RSA mit öffentlichem Schlüssel, nicht sicher. Hashing und symmetrische Kryptographie wie AES-256 und 512 sowie SHA-256 und 512 sind dagegen relativ sicher.

Andere Anwendungen der Quantenmechanik

So spannend die Welt des Quantencomputings auch ist, sie ist immer noch nur ein Teil der Quantenmechanik. Mit anderen Worten, die Quantenparty fängt gerade erst an.

Die Quantenmechanik war maßgeblich an der Entwicklung von Halbleitern und moderner Elektronik beteiligt. Auch an Quantennetzwerken und Kryptographie wird gearbeitet, wie z. B. in der Schweiz Quantenkryptografie-Pionier ID Quantique. Außerdem haben sich Quantenphänomene in zahlreichen Forschungsbereichen als vielversprechend erwiesen, darunter Photosynthese, Geruchsrezeptoren und sogar unser Verständnis von Zeit.

Reale Quantencomputer

Es gibt viele Quantencomputer und ähnliche Anwendungen. Sie kommen von großen multinationalen Konzernen wie Google und IBM, aber auch von Regierungen und sogar kleineren Playern wie Rigetti.

Quantencomputing ist derzeit eines der heißesten Forschungsgebiete der Welt. Es gibt also wahrscheinlich mehr geheime Programme, als Sie sich vorstellen können. Nachfolgend einige wichtige Projekte:

Google besitzt 54-Qubit- und 72-Qubit-Maschinen
IBM besitzt über 30 Maschinen, die auf der ganzen Welt verstreut sind, darunter das 65-Qubit-Manhattan
China ist die Heimat vieler Quantencomputer, darunter eine 76-Qubit-Maschine und sogar Quantensatellitenkommunikation.
Googles 54-Qubit-System mit Sycamore-Antrieb benötigte nur 200 Sekunden, um zu berechnen, was Supercomputer 10,000 Jahre benötigen würden.
IBM entwickelt bis 1,000 eine 2023-Qubit-Maschine
Rigetti Computing besitzt vier, darunter eine 31-Qubit-Maschine
Google baut ein neues Quantenzentrum, um bis 1,000 einen 2029-Qubit-Computer zu bauen. Durch die faktorielle Fehlerkorrektur könnten die Gesamt-Qubits dieses Computers 1 Million erreichen.

Schlussfolgerung

Quantencomputer sind hier, um zu bleiben. Denn sie werden viele Möglichkeiten schaffen und reale Probleme lösen, mit denen klassische Computer seit Jahrzehnten zu kämpfen haben.

Es gibt jedoch noch viel zu tun und Herausforderungen zu meistern, bevor wir dort ankommen. Und bis dahin könnte China die Welt überraschen.