Quantencomputer – die Technologie der Zukunft?

Bereits seit mehr als 20 Jahren forschen Wissenschaftler an Quantencomputern, doch erst als Peter Shor 1994 zeigte, wie ein Quantencomputer die Primfaktorzerlegung (21.10.18)  (=die Darstellung einer natürlichen Zahl als ein Produkt aus Primzahlen) meistern könnte, zog die Aufmerksamkeit der Öffentlichkeit und Geheimdienste auf das Thema.

„Um eine 232-stellige Zahl zu faktorisieren,bräuchte ein herkömmlicher Computer 1500 Jahre, ein Quantencomputer wäre theoretisch nach einem Tag fertig.“ – Wie funktioniert ein Quantencomputer? (21.10.18)

Nun werden sich sicherlich einige fragen: Was ist das eigentlich?

Grob gesagt ist ein Quantencomputer ein sehr leistungsstarker Computer, der sich, anders als klassische Computer, die Gesetzmäßigkeiten der Quantenphysik zunutze macht.

Ein herkömmlicher Computer arbeitet mit binären Zahlen, die in Informationseinheiten (z.B Bit und Byte) gespeichert werden. Ein Bit (kurz für binary digit) kann dabei entweder 0 oder 1 sein, ähnlich wie ein Kippschalter, der auf Aus oder An stehen kann. Acht Bit entsprechen dabei einem Byte und eine Milliarde Byte einem Gigabyte.

Auf einer SD-Karte wird ein Bit durch eine mikroskopisch kleine Einheit auf einem Mikrochip dargestellt. Damit das Bit auf 1 geschaltet werden kann, müssen sich auf dieser Einheit Elektronen befinden, möchte man das Bit wieder auf 0 stellen, werden die Elektronen wieder abgesaugt, also von der Einheit entfernt.

Bei einem Quantencomputer kann ein Bit allerdings gleichzeitig 1 und 0 sein – man nennt dies Qbits oder Qubits. Als Qbits können z.B Ionen dienen. Strahlt man sie mit einem Laser an, gehen sie in einen angeregten Zustand über.

Jetzt stellt sich natürlich die Frage: Wofür das Ganze?

Ein Qbit kann sich mit anderen verschränken. Das bedeutet, eine Veränderung eines Qbits wirkt sich auf alle mit ihm verschränkten aus. Dank dieser Tatsache können Quantencomputer (anders als klassische Computer) Rechenoperationen parallel ausführen. Dies ermöglicht zudem neue Algorithmen.

In dem Artikel Das Teilchen – Problem (21.10.18) skizziert Marlene Weiss, in welcher Hinsicht Quantencomputer bzw. Quantenalgorithmen besser geeignet sein könnten, als klassische Computer/Algorithmen: z.B bei der Modellierung von komplexen Systemen – beispielsweise bei dem Verhalten großer Moleküle:

„Auch da wird es mit einem normalen Computer schnell so kompliziert, dass man aufgeben muss, weil so viele Teilchen interagieren. Ein Quantencomputer dagegen hätte keine grundsätzlichen Schwierigkeiten damit.“

Ein anderes Beispiel ist die Verschlüsselung. Laut eines Artikels in der Zeit  kann ein Quantencomputer verbreitete Verschlüsselungsmethoden (die u.a auch von WhatsApp zur Codierung der Nachrichten verwendet wird) mithilfe der Primfaktozerlegung knacken. Ein herkömmlicher Computer müsste dafür alle Schlüssel nacheinander probieren.

 

Dennoch steht die Wissenschaft noch vor einigen Problem, was die gezielte Einsetzbarkeit der Quantencomputer betrifft: Die Überlagerungszustände der Qbits sind extrem empfindlich – schon Zusammenstöße mit Luftmolekülen können sie zerstören.

Ein weiterer großer Nachteil von Quantencomputern ist, dass die gesamte Technik auf -273 °C gekühlt werden muss. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen gibt es bereits:

„Andere Forscher verwenden einzelne Stickstoffatome in einer dünnen Schicht Diamantkristall als Qubits. Das geht auch bei Zimmertemperatur, aber die Kopplung mehrerer Qubits ist kompliziert.“ –

Wie funktioniert ein Quantencomputer? (21.10.18)

Laut der Süddeutschen Zeitung ist derzeit unklar, ob und wie man über 40 Qbits hinauskommt –  das ist die ungefähre Grenze, ab der ein Quantencomputer deutliche Unterschiede zu einem klassischen Computer aufweisen kann:

„Die Teilchen werden in Fallen im Vakuum festgehalten, die Apparatur für ein paar wenige Qbits füllt schnell ein Labor. In so eine Falle kann man aber nicht sehr viele Ionen hineinstopfen, schon bei wenigen Dutzend geht die Kontrolle über die Teilchen verloren.“

 

Die Wissenschaft ist noch weit davon entfernt, Quantencomputer gezielt einsetzen zu können und auch für den alltäglichen Gebrauch ist das Ganze noch zu groß, zu unhandlich und zu unausgereift. Zudem ist noch nicht bewiesen, dass der Quantencomputer dem herkömmlichen Computer tatsächlich auf einem breiten Gebiet überlegen ist. Sollte es der Forschung jedoch in der Zukunft gelingen, einen funktionierenden, nicht zu fehleranfälligen Quantencomputer zu bauen, könnte er die digitale Arbeit durchaus revolutionieren.

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