Vielleicht hast Du schon mal von Quanten gehört, die kleine Einheit in der Physik, die nicht weiter teilbar ist. Doch was genau hat das mit Computer zu tun und warum sollen Quantencomputer in Zukunft herkömmliche Computer übertreffen?
Quantencomputer einfach erklärt
In klassischen Computern, also in dem Prozessor Deines Handys oder Deines Computers, werden sämtliche Informationen elektrisch binär abgelegt und gespeichert. Die gespeicherten Informationen bestehen in der kleinsten Einheit aus Bits, die entweder eine Eins oder eine Null als Zustand besitzen.
Quantencomputer arbeiten hingegen mit Qubits als kleinste Einheit. Genauso wie im klassischen Computer kann der Zustand des Qubit Eins oder Null sein. Jedoch haben Qubits die Fähigkeit auch gleichzeitig in beiden Zuständen zu sein oder auch Zwischenzustände anzunehmen. Somit können Qubits einen ganzen Raum an Möglichkeiten Abbilden statt nur eine binäre Information.
Quantencomputer nutzen als Recheneinheiten Qubits. Diese können viele verschiedene Zustände annehmen. Sie nicht an zwei Zustände gebunden, wie die Bits in klassischen Computern.
Abb. 1 - Mögliche Zustände eines Qubit
Der Vorteil der Berechnung mit Qubits ist, dass mehr Information in weniger Qubits als in klassischen Bits verarbeitet werden kann.
Denn ein Computer macht nichts anderes als Rechenoperationen durchführen. Durch Kombination vieler einzelner Rechenvorgänge lassen sich dann komplexere Algorithmen und Berechnungen ausführen. Doch wie genau kann der Vorteil der Qubits bei Kalkulationen genutzt werden?
Quantencomputer Funktionsweise
In der Praxis sind nicht endlos viele verschiedene Zustände der Qubits nutzbar. Stattdessen wird die Eigenschaft der Qubits genutzt, dass ihr Zustand an beliebiger Stelle zwischen Null und Eins liegen muss, aber nicht genau bekannt ist. Das Qubit befindet sich also in einer Superposition aus Null und Eins.
Mehr Informationen zur Superposition und zur Bestimmung des Zustandes von Teilchen findest Du in der Erklärung Quantenverschränkung
Dabei können die Teilchen, die als Qubits genutzt werden, etwa Photonen, verschränkt oder unverschränkt sein.
Qubits befinden sich in einer Superposition aus Eins und Null. Die Qubits können untereinander verschränkt sein, womit Aussagen über die Zustände anderer Qubits möglich sind.
Der Effekt der Verschränkung ist der Schlüsselpunkt bei der Berechnung im Quantencomputer. Wie genau wird diese physikalische Eigenschaft genutzt?
Quantencomputer Physik
Um mit Qubits statt Bits wie im klassischen Computer zu rechnen, ist eine komplett andere Herangehensweise nötig.
Statt mit festen Zahlen wie im klassischen Computer rechnet ein Quantencomputer mit Überlagerung der Zustände mehrerer Qubits.
Es werden keine einzelnen Werte berechnet, sondern es wird mit Qubit-Reihen gerechnet.
Erst bei der Messung der Qubits im Quantencomputer wird festgestellt, ob der Zustand des Qubits näher an einer Eins oder Null war. Davor ist sein Zustand unbekannt und kann lediglich in Wahrscheinlichkeiten angegeben werden.
Beim Auslesen von Ergebnissen in einem Quantencomputer wird die Eigenschaft der Verschränkung der Qubits untereinander genutzt: dass eine Änderung am einen auch eine Änderung am anderen bewirkt. Gelingt es, zwei Qubits miteinander zu verschränken, ist ihr gemeinsamer Zustand eine Überlagerung aller Einzelzustände der beiden Qubits.
Doch wie kannst Du damit eine hohe Darstellungsmenge erreichen, die die Möglichkeiten des klassischen Computers übertreffen sollen?
Quantencomputer Leistung
Durch die Verschränkung der Qubits haben diese eine viel höhere Freiheitsgradanzahl als die Zustände einer unverschränkten Sammlung Qubits gleicher Zahl.
Betrachte die Möglichkeiten, drei verschränkte Qubits in Binärzuständen darstellen.
Da jedes Qubit entweder eine Eins oder Null als ausgelesenen Wert annehmen kann, sind acht verschiedene Zustände möglich:
000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 und 111
Somit benötigst Du zur Darstellung von acht Zahlen 3 Qubits.
Um eine bestimmte Menge an Zahlen darzustellen, steigt somit die Anzahl der benötigten Qubits.
Eine Menge an \( n \) Qubits können \( 2^n \) Zahlen beschreiben. Somit steigt die Rechenleistung von Quantencomputern exponentiell mit der Zahl der Qubits.
Wie genau steigt denn die Rechenleistung auch mit der Anzahl der Qubits exponentiell?
Denn beim klassischem Computer erhöht sich die Rechenleistung höchstens linear mit dem Hinzufügen weiterer Rechenkapazität in Bits. Das liegt daran, dass alle Berechnungen hintereinander durchgeführt werden müssen.
Beim Quantencomputer interagieren alle Qubits beim Berechnen miteinander gleichzeitig. Somit kann ein hinzugefügtes Qubit mit allen bereits vorhandenen Qubits interagieren. Die Leistung steigt somit um die Menge der Kombinationen der vorhandenen Qubits, also exponentiell.
Am Anfang und am Ende der Operationen im Quantencomputer werden die Qubits zwar binär dargestellt, während dem Berechnen befinden sich die Qubits jedoch in einer Superposition, die durch die Interaktion mit den anderen Qubits beeinflusst wird.
Um den Unterschied der Berechnung zwischen klassischem Computer und Quantencomputer zu veranschaulichen, kannst Du ein komplexes Labyrinth betrachten.
Abb. 2 - Ein Labyrinth lässt sich schneller mit einem Quantencomputer lösen
Du befindest Dich in der Mitte eines sehr komplexen Labyrinths, mit ein oder zwei Ausgängen und Millionen von Wegen, die in einer Sackgasse enden.
Wenn Du das Labyrinth abläufst und jeden Weg und jede Abzweigung separat abgehst, würde es ewig dauern, den Ausgang zu finden. Genau so würden klassische Computer das Labyrinth nach den Ausgängen durchsuchen. Würdest Du mehr Bits zur Berechnung hinzufügen, könnte der Computer längere Wege untersuchen, die Leistung der Suche verbessert sich höchstens linear.
Nun betrachtest Du jedoch den Fall, dass nicht nur Du das Labyrinth allein absuchst, sondern eine Menge Klone hast, die gemeinsam das Labyrinth durchsuchen. Sie können einander mitteilen, welche Wege in Sackgassen enden und so noch mal die Suche nach dem Ausgang beschleunigen.
Ein Quantencomputer würde die Wege gleichzeitig nach dem Ausgang durchsuchen, dabei wären Deine Klone verschiedene Qubits im Quantencomputer. Du kannst also erkennen, dass mehr Qubits die Leistung stark steigern können.
Bei etwa 50 Qubits übersteigt die darstellbare algorithmische Komplexität bereits die Fähigkeiten moderner Supercomputer.
Im klassischen Computer werden auf Binärzahlen in Rechnungen elementare Logikoperationen wie Addieren vorgenommen, um daraus komplexere Rechenvorgänge zu erstellen.
Im Gegensatz dazu verwenden Quantencomputer als elementare Logikbausteine sogenannte Quantengatter, die Drehungen im Raum darstellen. Dabei wird die Wahrscheinlichkeit, dass ein Qubit eine Null oder Eins ergibt, verändert. Der endgültige Zustand wird erst am Ende der Rechnung festgestellt.
Klassische Computer verwenden für die Logikoperationen elektronische Bauteile wie Transistoren, die Gatter in Quantencomputern sind dagegen mathematische Operationen an den Qubits.
Daher sind klassische Rechenoperationen nicht auf Quantencomputer übertragbar, sondern es müssen eigene Programme für die Quantencomputer geschrieben werden.
Welchen Teilchen werden denn als Qubits verwendet, die diese besonderen Eigenschaften haben?
Quantencomputer Aufbau
Der Nachteil an der hohen Rechenleistung von Quantencomputern ist, dass sie enorm störungsanfällig sind.
Die Verwendung von Photonen im Quantencomputer, die in der Physik früh auf Verschränkung hin untersucht wurden, ist leider nicht ideal. Sie bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit und es ist damit schwierig sie wechselwirken zu lassen.
Deshalb werden beispielsweise Ionen für den Aufbau von Quantencomputern verwendet. Wenn diese stark gekühlt werden, in der Regel bis auf kurz vor den absoluten Nullpunkt, ist es einfacher, die Teilchen zu verschränken und wechselwirken zu lassen. Auch kleine Kondensatoren werden verwendet, die mit ihrem Ladungszustand die Eigenschaften von Qubits abbilden.
Weiterhin müssen Vibrationen oder Verunreinigungen vermieden werden, um erfolgreich Rechenoperationen mit einem Quantencomputer durchzuführen.
Es gibt verschiedene Materialien, die die Eigenschaften von Qubits abbilden. Durch die geringe Fehlertoleranz sind aufwendige Kühlung und Abschirmung für Quantencomputer nötig.
Daher sieht der Aufbau von Quantencomputern oft wie ein Kronleuchter aus, der von oben herab hängt, um die Vibrationen zu minimieren. Um die tiefen Temperaturen zu erreichen, kommen dann Materialien wie flüssiges Helium zum Einsatz.
Für welche Anwendungszwecke lohnt sich der Aufwand für Quantencomputer überhaupt?
Quantencomputer Anwendung
Quantencomputer sind aufgrund ihrer besonderen Rechenart nur für bestimmte Rechnungen stark überlegen. Denn Anwendungen lassen sich nicht einfach von klassischen Computern auf Quantencomputer übertragen.
Quantencomputer Einsatzgebiete
Quantencomputer befinden sich im Jahr 2022 noch im Forschungsbetrieb. Noch gibt es keine kommerziellen Quantencomputer.
Bestimmte Berechnungen lassen sich jedoch besonders gut auf Quantencomputern durchführen. Hier zu zählt etwa die Zerlegung in Primzahlen, die für die Datenverschlüsselung relevant ist. Werden Quantencomputer ausgereifter, können sie in Zukunft weit mehr Aufgaben übernehmen.
Quantencomputer Zukunft
Forscher arbeiten vor allem noch an der Minimierung der Fehlertoleranz von Quantencomputern, da diese momentan oft die Ausführungen von korrekten Rechnungen vermeiden. Zudem wird an neuen Materialien geforscht, damit die aufwendige und teure Kühlung bis nahe an den absoluten Nullpunkt nicht mehr nötig ist.
Momentan (Stand 2022) ist es daher nicht möglich, leistungsfähige Quantencomputer bei Dir zu Hause aufzustellen.
Quantencomputer – Das Wichtigste
- Quantencomputer nutzen als Recheneinheiten Qubits. Diese können viele verschiedene Zustände annehmen und sind nicht an zwei Zustände gebunden wie die Bits in klassischen Computern.
- Qubits befinden sich in einer Superposition aus Eins und Null. Die Qubits können untereinander verschränkt sein, womit Aussagen über die Zustände anderer Qubits möglich sind.
- Statt mit festen Zahlen wie im klassischen Computer rechnet ein Quantencomputer mit Überlagerung der Zustände mehrerer Qubits.
- Um eine Menge an \( n \) Qubits zu beschreiben, benötigst Du \( 2^n \) Zahlen. Somit steigt die Rechenleistung von Quantencomputern exponentiell mit der Zahl der Qubits.
- Die Fehleranfälligkeit und aufwendige Kühlung machen den komplexen Aufbau von Quantencomputern nötig.
- Bisher (Stand 2022) befinden sich Quantencomputer noch im Forschungsbetrieb.
Nachweise
- https://www.all-electronics.de/elektronik-entwicklung/quantencomputer: Was Sie schon immer über Quantencomputer wissen wollten (28.08.2022)
- fz-juelich.de: Europas erster Quantencomputer mit mehr als 5000 Qubits in Jülich gestartet (28.08.2022)
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