Was sind eigentlich diese Quantencomputer?

Unser Erfinder und Gründer Frank hat in seinem Urlaub ein neues Hobby gefunden. Er entwickelt künftig in seiner Freizeit in einem internationalen Team von Wissenschaftlern an Quantenalgorithmen mit. Ziel ist es, dass nicht nur Google, Amazon, IBM und die anderen üblichen verdächtigen Wissen aufbauen, sondern in einer Open-Source-Gemeinschaft das Wissen und die Algorithmen ALLEN zur Verfügung stehen.

In unserer heutigen 11.ten Folge von „Wieder Was Gelernt“, wollen wir eine kleine Einführung geben, was Quantencomputer eigentlich sind. Gleichzeitig wird dies auch die letzte Folge von „Wieder Was Gelernt“ sein. Wir wollten diese Reihe über die Sommerferien ausprobieren. Wir freuen uns sehr über Feedback!

Das kleine 1×1 des Quanten-Computing:

Qubit
Ein traditioneller Computer speichert Informationen in Form von Bits. Ein Bit kann zwei Zustände annehmen, entweder null oder Eins. Je mehr Bits es gibt, desto mehr Zahlen und desto mehr Informationen können dargestellt werden. Ein Quantencomputer dagegen rechnet mit Quantenbits, kurz Qubits. Die können ebenfalls null oder eins repräsentieren, aber, und das ist der Unterschied, auch gleichzeitig null oder eins sein. Zwei Qubits können somit vier gleichzeitige Zustände annehmen, drei Qubits bereits acht, und 20 Qubits mehr als eine Million (2 hoch 20) Zustände. Dieser so genannte Quantenparallelismus führt dazu, dass Quantencomputer im Vergleich zu einem klassischen Computer Berechnungen nicht nur hintereinander (seriell), sondern auch gleichzeitig (parallel) durchführen – und somit viel mehr Informationen in viel kürzerer Zeit speichern können.

Superposition und Verschränkung
Qubits machen sich zwei elementare quantenmechanische Prozesse zu Nutze: Wenn sie gleichzeitig im Zustand von null und eins sind (oder theoretisch in allen erdenkbaren Zuständen dazwischen), spricht man vom Zustand der Überlagerung oder auch Superposition. Zudem wechselwirken Qubits mit anderen Qubits, was man Verschränkung nennt. Verändert man ein Qubit, reagieren alle mit ihm verschränkten Qubits darauf, auch über lange Strecken hinweg. In den bisherigen Quantencomputern sind allerdings bislang vor allem benachbarte Qubits verschränkt.

Kohärenzzeit
Die Zeit, in der Qubits im Zustand der Superposition und Verschränkung sind, nennt man Kohärenzzeit. Nur in diesem Zeitraum sind quantenmechanische Berechnungen möglich. Sobald man das Ergebnis misst, fallen die Qubits in den Zustand von entweder null oder eins zurück, das System muss dann vereinfacht gesagt neu gestartet werden. Bislang liegt die Kohärenzzeit im Bereich von maximal Millisekunden. Um möglichst lange Berechnungen durchführen zu können, ist es deshalb wichtig, die Kohärenzzeit zu verlängern.

Supraleiter und Ionenfallen
Um Qubits zu erstellen, verwenden die meisten Quantencomputer Supraleiter: Schaltkreise auf Basis von Metallspulen werden dabei fast auf den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt, wodurch sie supraleitend werden. Elektrischer Strom kann in beide Richtungen ohne Widerstand durch sie hindurchfließen, wodurch »künstliche Atome« entstehen. Mit Hilfe von Mikrowellen werden anschließend die Zustandsveränderungen herbeigeführt. Alternativ lassen sich Qubits auch mit Hilfe von Ionenfallen realisieren: Hier werden elektrisch geladene Atome mittels elektrischer und magnetischer Felder im Vakuum festgehalten. Beide Ansätze haben ihre Vor- und Nachteile.

Quantenalgorithmus
Ein Quantencomputer wird zwar mit herkömmlichen Computern gesteuert, allerdings mit speziellen Programmierumgebungen wie Quiskit von IBM. Daraus werden Quantengatter erstellt, mit denen die Qubits angesteuert werden. Ein Quantenalgorithmus ist somit eine Berechnung oder Anwendung, die auf Quantencomputern ausgeführt werden kann.

Quantenüberlegenheit
Der Augenblick, in dem ein Quantencomputer bei der Ausführung einer Aufgabe die besten klassischen Supercomputer übertrifft, wird als Quantenüberlegenheit bezeichnet. Das ist erstmals einem System von Google im Jahr 2019 gelungen, auch wenn die Aufgabenstellung im Anschluss kritisiert wurde. Gemeinhin sollen Systeme ab 50 Qubits in der Lage sein, alle bisherigen Supercomputer abzuhängen. Allerdings ist man noch lange nicht so weit, dass Quantencomputer für universelle Aufgaben eingesetzt werden können. Die bisherigen Systeme sind dagegen für bestimmte Quantenalgorithmen optimiert.

Wir gehen davon aus, dass es ab 2035 einen Umbruch geben wird, da nicht nur die Erfahrung im Bereich der Algorithmen/Programmierung erheblich größer sind, sondern auch die Hardware komplett andere sein wird. Das Arbeiten mit Supraleitern oder Ionenfallen ist völlig ineffizient und die Kohärenzzeit ist viel zu kurz. Hardware-Forscher entwickeln aktuell Computersysteme, die aus organischem Material bestehen und die Quantenzustände enorm besser abbilden können, als anorganische Materialien. In etwas mehr als 10 Jahren werden diese beiden Technologien aufeinandertreffen und perfekte Quantencomputer darstellen, die vielleicht gar keine Kühlung mehr brauchen.