Was ist Quantencomputing (und warum brauchen wir es)?

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Dienstag, 11. Mai 2021

Es heißt, Quantencomputer werden die Welt verändern - aber was ist das eigentlich, und wofür werden sie dienen?

Artikel 6 Minuten
Was ist Quantencomputing (und warum brauchen wir es)?

Wenn es eine Technologie gibt, die Computerexperten für die Zukunft begeistert, dann ist das sicher die Quantentechnologie. Dieser Begriff hat in den letzten Jahrzehnten eine Art mythische Bedeutung erlangt - Science-Fiction-Autoren verwenden ihn schon seit Zeiten als Synonym für viele noch unerreichte Technologiesphären. Doch die Realität könnte noch revolutionärer sein, als wir uns je vorstellen konnten.

Aber was genau hat es mit Quantencomputing auf sich, und wird es dem ihm anhaftenden Mythos wirklich gerecht werden?

Was ist Quantencomputing?

Im Wesentlichen ist das Quantencomputing eine grundlegende Veränderung der Art der Datenverarbeitung durch Maschinen. Herkömmliche Computer - egal wie leistungsfähig oder komplex sie sind - lassen sich letztlich auf eine banale Serie von Bits reduzieren. Dies ist die kleinstmögliche Dateneinheit, mit einem von zwei möglichen Zuständen, entweder „ein“ oder „aus“dargestellt als 0 bzw. 1. Alle Computerberechnungen basieren daher auf Transistorgattern, die sich öffnen oder schließen, um zu bestimmen, welchen Wert ein Bit haben wird.

Mit genug Transistoren können Computer unglaublich komplexe Operationen durchführen, aber natürlich ist der Platz begrenzt, so dass die Transistoren immer kleiner werden mussten - heute haben sie nur noch einen Abstand von wenigen Atomen. Dies schafft jedoch neue Probleme, denn wenn wir sie noch kleiner machen, hören sie auf zu funktionieren, da die Elektronen dann die Gates auf ihrem Weg einfach umgehen können, egal ob sie ein- oder ausgeschaltet sind, so dass es eine theoretische Obergrenze für die Rechenleistung gibt, die wir auf einem bestimmten Raum unterbringen können.

Um dieses Problem zu lösen, haben wir Quantum. Der Begriff bezieht sich auf einige der kleinsten Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen, aber auf dieser Ebene gelten die Regeln der Physik, auf die wir uns bisher verlassen konnten, um das Universum zu verstehen, einfach nicht mehr. Selbst Einstein bekam das nicht in den Griff und beschrieb die Quantenverschränkung als „Fernwirkung“, als eine Art spukhafte Wirkung auf Distanz. Aber Forscher sind dabei, die ungewöhnlichen Eigenschaften, die Teilchen auch ohne Kontakt miteinander haben, zu nutzen, um die Beschränkungen des traditionellen Rechnens zu überwinden.

Beim Quantencomputing ist die kleinste Einheit der Daten nicht das Bit, sondern das Qubit. Wie ein Bit kann es auf einen von zwei Zuständen gesetzt werden - 0 oder 1 -, aber im Gegensatz zu einem Bit ist es nicht einfach nur an oder aus. Dank der Eigenheiten der Quantenebene kann sich ein Qubit auch in einer Kombination aus beiden Zuständen befinden, der sogenannten Superposition. Manchmal wird dies als 0 und 1 gleichzeitig beschrieben, obwohl dies nicht ganz korrekt ist. Vielmehr könnte es irgendwo zwischen komplett 0 und komplett 1 liegen - der Haken ist jedoch, dass wir ein Qubit tatsächlich nicht messen können, denn sobald wir das versuchen, kollabiert es in einen der beiden eindeutigen Zustände.

Es ist nicht leicht, intellektuell damit zurechtzukommen, aber Fakt ist, dass die Menge theoretisch speicherbarer Daten mit steigender Anzahl von Qubits exponentiell wächst. Eine Gruppe von nur 20 Qubits könnte so mehr als eine Million Werte auf einmal halten.

4 Vorteile des Quantencomputings

In Sachen Quantencomputing laufen etliche physikalische Studien auf höchstem Niveau, auf deren komplexe Eigenschaften und Aspekte wie Quantenverschränkung oder Quantengatter wir hier lieber erst gar nicht eingehen werden. Der springende Punkt jedoch ist, dass ein traditioneller Computer bei jeglicher Operation mit einer beliebigen Menge Daten jedes Bit einzeln verarbeiten muss, während ein Quantencomputer in der Lage sein wird, alle Daten gleichzeitig zu verarbeiten.

Aber, was bedeutet das nun konkret? Quantencomputing wird nicht für jedes Szenario geeignet sein, aber wo es eingesetzt werden kann, wird sein Einfluss auf bestimmte Abläufe immens sein. Hier ein paar Bereiche, in denen Quantencomputing alles verändern könnte.

1. Datenbankverarbeitung

Wie bereits erwähnt, ist eine der großen Stärken der Quantencomputer die Fähigkeit, viele Operationen gleichzeitig durchzuführen, was sehr praktisch ist, wenn es darum geht, etwas in einer riesigen Datenbank nachzuschlagen. In einem normalen Computer muss eine Anwendung jeden Datensatz in der Datenbank einzeln und nacheinander überprüfen, um festzustellen, ob er mit der Anfrage des Benutzers übereinstimmt, aber mit Quantum kann er viele Datensätze auf einmal bearbeiten.

Dies verkürzt die Antwortzeit enorm und macht es viel effizienter, Ergebnisse zu erhalten. Da die Menge der weltweit gespeicherten Daten weiterhin explodiert und die Größe der Datenbanken selbst für die schnellsten herkömmlichen Computer zu groß wird, werden Möglichkeiten zur Beschleunigung dieser Verarbeitung entscheidend sein, um schnell und kostengünstig neue Erkenntnisse zu gewinnen.

2. Sicherheit

Eine der häufigsten Anwendungen für die Quanten-Technologie wird wahrscheinlich in der Erhöhung der Sicherheit digitaler Verschlüsselungslösungen liegen. Derzeit funktionieren die meisten Verschlüsselungen ähnlich - ein Algorithmus wandelt eingegebene Daten in ein verschlüsseltes Format um, und ein Umkehralgorithmus kann sie wieder entschlüsseln.

Die größte Schwachstelle besteht theoretisch darin, dass jemand durch Ausprobieren aller möglichen Optionen des Entschlüsselungsalgorithmus die Verschlüsselung mit roher Gewalt (Brute Force-Methode) brechen könnte. Die große Hürde dabei ist jedoch, dass es unfassbar viel Zeit in Anspruch nehmen würde, alle möglichen Lösungen durchzuprobieren.

Aber bei Quantum gibt es diese Einschränkung nicht, weil diese Technik, wie oben beschrieben, unzählige Abfragen gleichzeitig laufen lassen kann, was möglicherweise die gesamte Verschlüsselungstechnologie auf einen Schlag nutzlos machen könnte. Dagegen müssen nun neue Lösungen entwickelt werden, die die Quantentechnologie nicht brechen kann.

3. Simulieren

Eine der spannendsten Anwendungen für Quantencomputer wird die Möglichkeit sein, groß angelegte und genaue Simulationen durchzuführen. Derzeit werden die meisten Simulationen durch die nötigen enormen Rechenleistungen sowie ihre mangelnde Genauigkeit behindert.

Aber durch die Verwendung von Quantencomputern verschwindet die Grenze der Parameter und Variablen, die sie gleichzeitig analysieren können, und können die Forscher in Größenordnungen experimentieren, für die klassische Computer Jahre oder sogar Jahrzehnte brauchen würden.

4. Künstliche Intelligenz

Die letzten Jahre haben große Fortschritte in der Welt der künstlichen Intelligenz (KI) gebracht, aber viele glauben, dass der heilige Gral der Technologie - Computer, die ohne menschliches Zutun denken, lernen und sich anpassen können - erst mit der Rechenleistung von Quantencomputern möglich sein wird.

Das mag noch in weiter Ferne liegen, aber Quantencomputer können auch dabei helfen, die Geschwindigkeit und die Effizienz einiger der komplexesten Optimierungsprobleme zu verbessern, für die KI derzeit eingesetzt wird. Große Fabriken können beispielsweise maschinelles Lernen einsetzen, um die Produktion zu maximieren, indem sie ermitteln, wie jeder einzelne Prozess und jede einzelne Komponente am effektivsten genutzt werden kann. Quantencomputer können dabei helfen, Erkenntnisse schneller und genauer zu liefern, was zu einer optimierten Produktion, weniger Abfall und geringeren Kosten führen wird.

Wie Quantencomputing die Welt verändern wird

Die Auswirkungen dieser Vorteile auf die Praxis könnten enorm sein. Eine der größten und meistdiskutierten Anwendungen für das Quantencomputing liegt im medizinischen Bereich, wo die Simulationsleistung dieser Technologie das Potenzial hat, unser Verständnis des menschlichen Körpers zu revolutionieren und bei der Entwicklung neuer Medikamente zu helfen.

Dies u.a. durch die Beschleunigung von Molekülvergleichen und -simulationen. Dies ist ein wichtiger Prozess in der frühen Phase der Entwicklung und Entdeckung von Medikamenten, aber die Computerhilfe dabei ist heute noch aufgrund der Verarbeitungsbeschränkungen klassischer Computer auf Moleküle bis zu einer bescheidenen Größe beschränkt. Mit Quantencomputern wird es jedoch möglich, Moleküle zu vergleichen, die viel größer sind, was die Tür zu enormen pharmazeutischen Fortschritten und Heilungsmöglichkeiten für eine Reihe von Krankheiten öffnen wird.

Doch das ist längst nicht alles, denn viele Experten gehen davon aus, dass Quantencomputing zur Lösung einiger der dringendsten Probleme der heutigen Welt beitragen wird. So könnte die Modellierung molekularer Wechselwirkungen den Wissenschaftlern dabei helfen, neue landwirtschaftliche Produkte zu entwickeln, die die Düngung verbessern und den Ausstoß von Treibhausgasen verringern und so dazu beitragen, den Hunger in der Welt zu bekämpfen und gleichzeitig die Umweltauswirkungen der Nahrungsmittelproduktion zu minimieren.

Das Quantencomputing mag nicht mehr weit entfernt sein, aber es ist immer noch eine relativ neue Technologie, wenn es um reale Anwendungen geht, und bis jetzt sind viele ihrer Vorteile noch theoretisch. Da das Verständnis für die Technologie jedoch wächst und Wissenschaftler erste reale Ergebnisse mit frühen Experimenten erzielen, wird es sicherlich nicht mehr lange dauern, bis transformative „Killer-Apps“ zur kommerziellen Realität für die Technologie werden.

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