Die Zukunft ist höchst wahrscheinlich

Was ist ein Quantencomputer?

| Autor / Redakteur: Thomas Drilling / Ulrike Ostler

Laut Anicht von Google oder IBM, stehen Quantencomputer kurz vor der Markteinführung. IBM hat bereits einen Web-Serve am Netz, mit denen man per Smartphone auf einen 5-Qubits-Quantencomputer zugreifen kann.
Laut Anicht von Google oder IBM, stehen Quantencomputer kurz vor der Markteinführung. IBM hat bereits einen Web-Serve am Netz, mit denen man per Smartphone auf einen 5-Qubits-Quantencomputer zugreifen kann. (Bild: IBM)

Seit vielen Jahren werden Quantencomputer in den einschlägigen Medien als ein mögliches Konzept für neue Superrechner „verkauft“. Sie sollen heutigen, dem Prinzip der Von-Neumann-Architektur folgenden Rechnern – in puncto Rechenleistung weit überlegen sein. Allerdings sind Quantencomputer bis heute nicht dem Labor-Stadium entwachsen oder doch?

Glaubt man Verlautbarungen von Google oder IBM, stehen Quantencomputer kurz vor der Markteinführung. Laut Edward Snowden forscht auch die National Security Agency (NSA) an der Entwicklung eines leistungsfähigen Quantencomputers und Google testet gemeinsam mit Ingenieuren von der NASA seit 2013 einen Quantenrechner von Hersteller D-Wave Systems. Dieser vermarktet seine Computer offensiv als „weltweit erste kommerzielle verfügbare Quantencomputer“.

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Allerdings blieb das Unternehmen bis zum Jahresende 2015 den von Fachleuten eingeforderten Beweis schuldig, dass man überhaupt an einem „echten“ Quantencomputer arbeitete. Ende 2015 zeigte D-Wave in einem sorgsam „designten“ Testaufbau, dass der von Ihnen verwendete supraleitende Prozessor der Klasse "Quanten-Annealer" 100 Millionen Mal schneller rechnete, als herkömmliche Prozessoren. Allerdings müsste ein Quantencomputer der den Anspruch erweckt, in Kürze kommerziell verfügbar zu sein, diesen Vorsprung auch mit reale Anwendungen erzielen.

Das Unternehmen D-Wave fertigt angeblichbereits kommerzielle Quantencomputer, die z. B. Google gerade testet. Experten streitenjedoch darüber, ob es sich um Quantencomputer handelt.
Das Unternehmen D-Wave fertigt angeblichbereits kommerzielle Quantencomputer, die z. B. Google gerade testet. Experten streitenjedoch darüber, ob es sich um Quantencomputer handelt. (Bild: D-Wave)

Und auch Big Blue mischt im lukrativen Zukunftsmarkt mit. Seit Anfang 2016 kann jedermann auf einen in der IBM Cloud betriebenen Quantenprozessor zugreifen und eigene Experimente durchführen. Mit dem freien Zugang will Big Blue die Entwicklung von Anwendungen für den Quantencomputer beschleunigen. Die am extra zu diesem Zweck neu gegründeten IBM Research Frontiers Institut betriebene Quantum Experience Platform besteht derzeit aus fünf Quantenbits (Qubits) und ist per PC oder Mobilgerät erreichbar.

Angeblich ist es den Wissenschaftlern am T.J. Watson Research Center 2015 gelungen, wichtige Fortschritte sowohl bei der Herstellung der Qubits als auch bei der elektronischen Ansteuerung von Qubits zu erzielen.

IBM behauptet sogar noch weiter zu sein und stellt Interessierten bereits einen Quantencomputer per Web-Schnittstelle zur Verfügung.
IBM behauptet sogar noch weiter zu sein und stellt Interessierten bereits einen Quantencomputer per Web-Schnittstelle zur Verfügung. (Bild: IBM)

Auch Google behauptet mit seinen Experimenten nicht weit davon entfernt zu sein, den leistungsfähigsten Quantencomputer der Welt präsentieren zu können. Angeblich plant das Unternehmen schon bis Ende 2017 einen eigenen Quantenchip vorstellen zu können.

Ob es also Quantencomputer bereits gibt, bzw. in naher Zukunft geben wird oder ob wir noch Jahrzehnte von kommerziell verfügbaren Quantencomputern entfernt sind hängt also einerseits davon an, wen man fragt aber vor allem auch davon, wie man einen Quantencomputer definiert, als Laboraufbau oder kommerziell verfügbares „Gerät“.

Was ist ein Quantencomputer?

Was als verstehen wir heute unter einem Quantencomputer oder Quantenprozessor? Bekanntlich werden in einem herkömmlichen Computer Informationen in Form von Bitfolgen dargestellt. Ein Bit kann stets nur eine der beiden diskreten Werte „Eins“ oder den Wert „Null“ annehmen.

Ein Quantencomputer hingegen kann auch mit „grauen“ Bitwerten rechnen, also Zuständen, die sich irgendwo zwischen 0 und 1 befinden. Der Zustand eines einfachen Quantensystems kann dabei als Überlagerung aus zwei Basiswerten wie zum Beispiel „Eins“ und „Null“ verstanden werden. Mathematisch wird ein solcher Quantenzustand mithilfe einer Wellenfunktion beschrieben, was die eigentliche Grundlage für Quantencomputing ist.

Praktisch bedeutet das, dass sich am Ausgang oder im Rechenwerk eines Quantencomputers zahlreiche mögliche Rechenwege überlagern können, so wie man es in der Quantenmechanik tatsächlich für sämtliche Wellenphänomene beobachtet. Da dabei viele Rechenwege gleichzeitig durchlaufen werden, entsteht das Ergebnis als eine Arts Interferenzmuster, das man dann abrufen kann. Dass aufgrund von Interferenz der Wellenfunktion direkt mit den Überlagerungswerten (Superposition) in den Speichereinheiten (Qubits genannt) gerechnet werden kann, sorgt für eine enorme Geschwindigkeit.

Quantenbits koppeln

Die Superposition von Zuständen der einzelnen Quantenbits ist aber nicht die einzige Besonderheit von Quantencomputern. Hinzu kommt, dass sich mehrere Quantenbits so miteinander koppeln lassen, dass sie einen einzigen gemeinsamen quantenmechanischen Zustand einnehmen. Diese Eigenschaft hat in der realen Quantenmechnik ihre Entsprechung in der so genannten „Verschränkung“: Zwei weit voneinander entfernte Teilchen scheinen sich so miteinander zu verständigen beziehungsweise scheinen miteinander in Verbindung zu zu stehen, so dass sie Ihren Zustand, zum Beisspiel Spin, einander angleichen, etwa durch den Austausch von Photonen als Vermittler.

Da zahlreiche solcher Quantenbits in eine Überlagerung gebracht werden können und alle Rechenwege in dem riesigen zur Verfügung stehenden „Rechenraum“ miteinander interferieren können, geschieht jeder dieser Rechenvorgänge quasi gleichzeitig und nicht wie in einem 32-Bit-Rechner nacheinander. Letztendlich führen nämlich klassische Rechner der Von-Neumann-Architektur alle Rechenoperationen immer nacheinander aus, auch wenn sich diese Tatsache mit parallelisierbaren Programmiersprachen/Code, SMP-fähigen Anwendungen und Betriebssystemen sowie massiv parallel arbeitender Hardware, wie sie klassische Supercomputer realisieren, (Prozessor-Cluster) verschleiern lässt.

Quantengatter

Neben den beiden Prinzipien „Überlagerung“ und „Verschränkung“ spielt bei Quantencomputern noch das Konzept der Quantengatter eine Rolle. Während beim klassischen Computer die Logikgatter (physikalisch sind diese durch diskrete Bauelemente wie Transistoren realisiert) letztendlich die elementare Operationen auf den Bits durchführen und mehrere Gatter zu einem Schaltnetz verbunden werden, das komplexe Operationen wie das Addieren zweier Binärzahlen durchführt, gibt es beim Quantencomputer keine solchen „Bausteine“. Das liegt daran, dass „Berechnungen“ auf einem Quantencomputer grundsätzlich anders funktionieren.

Hier kommt der Begriff des Quantengatters ins Spiel. Hierunter wird aber kein technischer Baustein verstanden, sondern eine elementare „physikalische Manipulation“ eines oder mehrerer Qubits.

Wie man solche Qubits physikalisch manipuliert hängt davon ab, wie Qubits letztendlich realisiert sind, wozu sich verschiedene Technologien herausgebildet haben. So ließe sich beispielsweise der „Anregungszustand“ eines Atoms durch Laserpulse manipulieren oder der Spin eines Elektrons durch Magnetfelder. Damit ist ein Quantengatter also kein elektronischer Baustein, sondern eine im zeitlichen Verlauf auf ein Quanten-Register angewendete „Aktion“. Der Forschungsstand bei Quantencomputern konzentriert sich derzeit vor allem auf die Aufgabe, so genannte „Quanten-Algorithmen“ mit Hilfe von „Schaltplänen“ zu entwickeln oder darzustellen.

Mögliche Anwendungen für Quantencomputer

Faktisch sind es vor allem zwei Arten von Anwendungen, bei denen Quantencomputer heutigen Rechnern deutlich überlegen wären. So erlaubt etwa der so genannte Grover-Algorithmus, große unsortierte Datenbanken extrem schnell zu durchsuchen.

Die zweite Anwendung ist in der Informatik unter der Bezeichnung Shor-Algorithmus bekannt und kommt bei Verschlüsselungstechnologien zum Einsatz. Der Shor-Algorithmus wurde 1994 entwickelt.

Er ermöglicht es, eine Zahl in ihre Faktoren beziehungsweise Primfaktoren zu zerlegen, was für sehr große Zahlen sehr schwierig ist. Bei einem klassischen Computer nimmt der Aufwand exponentiell mit der Größe der Zahl zu. Bei Quantencomputern würde der Aufwand dagegen „nur“ polynomial ansteigen.

Die Primfaktorzerlegung ist ein wichtiges Problem in der Kryptologie, weil alle Verschlüsselungsverfahren auf der Unmöglichkeit basieren, große Zahlen in hinreichend schneller Zeit zu faktorisieren. Im Umkehrschluss ließen sich mit einem Quantencomputer wesentlich sicherere Verschlüsselungsverfahren entwickeln.

Fazit

Bei Quantencomputern folgt die Verarbeitung von Zuständen nicht klassischen physikalischen Prinzipien, sondern nach quantenmechanischen Prinzipien, nämlich dem Superpositionsprinzip (die quantenmechanische Kohärenz) und der Quantenverschränkung. So gibt es schon seit Jahrzehnten theoretische Studien, denen die Idee zugrunde liegt, durch Anwendung oder „Ausnutzung“ dieser Effekte gezielte Probleme der Informatik, wie das Suchen in extrem großen Datenbanken oder die Produktzerlegung großer Zahlen deutlich effizienter zu lösen, als mit herkömmlichem Computern.

So ist der Quantencomputer, trotz der skizzierten Bemühungen von Google, IBM und Co. immer noch eher ein eher theoretisches Konzept, da Quantencomputer bisher nur als Labor-Konzepte existieren und erprobt wurden, die mit nur wenigen Qubits arbeiten.

*Der Autor

Thomas Drilling ist freier Autor und schreibt auf DataCenter-Insider seinen eigenen Blog: „Drillings Open-Source-Eck“.

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