18.05.2019

Quantencomputer - quo vadis, Maschine?

Quantencomputer – mächtiger Hype oder Maschine der Zukunft? Nur wenige aktuelle Forschungsfelder ziehen derzeit mehr Aufmerksamkeit auf sich als die Verbindung von Informatik und Quantenphysik in Form eines Quantenrechners. Größer als das Interesse scheinen nur noch die Möglichkeiten, welche die neue Technologie verspricht. Und so wird mit Hochdruck geforscht. Was am Ende dabei herauskommt, weiß allerdings noch niemand.

Quantenphysik. Nicht unbedingt ein Thema, das sich für den Smalltalk in der Büroküche eignet. Und doch ist es derzeit in aller Munde. Kein Wunder: Wenn Großkonzerne wie Google, IBM, Intel, Toshiba und Microsoft massiv in die Entwicklung des Supercomputers der Zukunft investieren, muss etwas dran sein. Doch werfen wir zunächst mal einen Blick darauf, was drin ist. Nach welchem Prinzip funktioniert ein Quantencomputer?

Ein Quantum Zufall

Ob Server, PC, Laptop oder Spielkonsole: Jeder heute im Markt erhältliche Computer ist ein Binär-Computer. Dieser operiert mit binären Zahlen wie 010110110. Diese Zahlen werden in Speichern abgelegt und für Rechenoperationen benutzt. Die kleinste Informationseinheit, das Bit (von binary digit), kann man sich wie einen Lichtschalter vorstellen: Aus oder An, 0 oder 1. So ist jedes Selfi e letztlich ein Haufen gut sortierter Nullen und Einsen. Die Informationseinheit des Quantencomputers ist das Qubit und arbeitet nach den Gesetzen der Quantenphysik. Das bedeutet unter anderem, dass es nicht bloß „0“ oder „1“ sein, sondern sich in vielen anderen Zwischenzuständen befi nden kann – und das auch noch gleichzeitig. Man spricht dabei von der Superposition. Vergleichen lässt es sich gut mit dem Gedankenexperiment von Schrödingers Katze.

Die besondere Stärke der Qubits liegt in ihrer Vernetzung. Alle Teilchen sind miteinander verschränkt. Diese Verschränkung ist ein quantenmechanisches Phänomen, bei dem alle Teilchen auch über große Entfernungen ein gemeinsames System bilden. Dabei „spüren“ sie, wenn eines von ihnen manipuliert wird – selbst über eine Entfernung von tausenden Kilometern. Die durch die Programmierung hergestellte Verschränkung des Quantenregisters ermöglicht, dass mehrere Rechenwege gleichzeitig stattfinden. So können bestimmte Probleme und Aufgabenstellungen deutlich schneller gelöst werden. Und doch zeigt sich der Fortschritt nicht zuallererst an der Geschwindigkeit.

Die eigentliche Magie des Quantenrechners liegt in der Komplexität der verwendeten Algorithmen. Während ein Rechner mit 16 klassischen Bits nur einen von 87.456 Werten kodieren kann, lassen sich mit 16 Qubits alle 87.456 Werte gleichzeitig verarbeiten. Ein Quantenregister mit nur 250 Qubits könnte theoretisch mehr Zahlen gleichzeitig speichern als es Atome im Universum gibt. Dass man schon allein beim Versuch, das zu verstehen, an die Grenzen seiner Vorstellungskraft stößt, verdeutlicht, welch enormes Potenzial in dieser Technologie steckt. Nach dem aktuellen Stand der Forschung geht man davon aus, dass Quantencomputer später vor allem dafür eingesetzt werden, Prozesse zu berechnen, die stetig anwachsen. Zum Beispiel um gigantische Datenbanken zu durchforsten. Der Pharmaindustrie könnte der Quantenrechner die Simulation komplexer Moleküle ermöglichen. Bei Control€xpert sehen wir potenziellen Einfluss vor allem im Bereich Machine Learning, da Quantencomputer es ermöglichen werden, wesentlich komplexere Zusammenhänge erkennen zu können. Konkret bedeutet dies, dass ein Quantencomputer komplexere und bessere Modelle in der Bilderkennung, im Bereich der Analyse von Sensordaten oder in der Optimierung bzw. Automatiserung von Prozessen ermöglichen wird.

Man rechnet damit, dass in ca. 10 Jahren der erste universelle Quantencomputer einsatzbereit sein wird. Ob er den klassischen Computer jemals ersetzen wird? Führende Wissenschaftler zweifeln daran. Überhaupt lässt sich jetzt noch schwer sagen, zu welchem Ergebnis die Forschungen letztlich führen. Die aktuellen Qubits gelten als alles andere als perfekt, die Rechenprozesse deshalb als fehleranfällig. Bei der versammelten Kompetenz und Manpower, die sich dem Thema widmen, kann man jedoch davon ausgehen, dass in naher Zukunft ein universeller Quantencomputer eine neue Ära des Computing einläuten wird.