Quantencomputer

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.

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.

Dabei können die Teilchen, die als Qubits genutzt werden, etwa Photonen, verschränkt oder unverschränkt sein.

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.

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.

Um eine bestimmte Menge an Zahlen darzustellen, steigt somit die Anzahl der benötigten 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.

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.

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.