Quantencomputer

Ein herkömmlicher Computer verarbeitet Informationen wie diesen Scrolly als Sequenzen von Bits. Dabei kann ein Bit immer nur den Zustand 0 oder 1 annehmen.

In einem Quantencomputer wird stattdessen mit Quantenbits oder auch Qubits gerechnet. Im Unterschied zu klassischen Bits nehmen diese während der Berechnung einen Überlagerungszustand ein. Dieser wird als Superposition der Quantenbits bezeichnet.

Eine mathematische Darstellung des Qubits ist die Bloch-Kugel.

Zeigt der Pfeil auf den Nordpol entspricht dies dem Zustand 0, entgegengesetzt dazu steht der Südpol für den Zustand 1.

Bei jedem anderen Punkt auf der Kugeloberfläche beschreibt der Pfeil ein Verhältnis der Wahrscheinlichkeiten des Auftretens der jeweiligen Zustände.

Somit sind die Wahrscheinlichkeiten auf dem Äquator für 0 und 1 identisch.

Die vielleicht spannendste Besonderheit bei Quantencomputern ist allerdings die Verschränkung ihrer Qubits.

Sind zwei oder mehr Qubits auf diese Weise verbunden, bilden sie ein geschlossenes System.

Eine Veränderung an einem Qubit hat also eine Veränderung des Gesamtzustandes des Quantencomputers zur Folge.

Dabei spielt es keine Rolle, wie weit die Qubits voneinander entfernt sind.

Mit jedem weiteren Qubit verdoppelt sich die Anzahl der möglichen Zustände.

Das bedeutet sie nimmt exponentiell zu.

Während also ein herkömmlicher Computer immer nur einen Zustand zurzeit einnehmen kann und alle für sein Programm erforderlichen Zustände nacheinander durchlaufen muss, nehmen Quantencomputer durch die Verschränkung ihrer Qubits die Superposition aller möglichen Zustände gleichzeitig ein.

Um die Superposition und Verschränkung für Berechnungen nutzbar zu machen, gibt es unterschiedliche Modelle. Eines davon ist das Gattermodell: Angelehnt an Logik-Gatter, wie sie auch in herkömmlichen Computern zu finden sind, werden die Quantenbits mithilfe von Quantengattern manipuliert.

Diese Gatter sind allerdings keine physischen Bauteile, sondern zeitlich kontrollierbare Einflüsse auf die Quantenbits. Vereinfacht ausgedrückt rotieren die Quantengatter die Pfeile in der Bloch-Kugel und verändern so die Verteilung der Wahrscheinlichkeiten.

Mit diesem Modell lassen sich durch eine Sequenz von Quantengattern, die auf die Qubits in einer bestimmten Reihenfolge angewendet werden, Algorithmen umsetzen.

Ist die Rechnung erfolgt, liefert eine abschließende Messung das Ergebnis.

Durch die Messung wird die Superposition des Quantencomputers zerstört. Dabei fallen alle verschränkten Qubits in den definierten Zustand 0 oder 1. So steht am Ende eine Binärsequenz, die von einem herkömmlichen Computer interpretiert werden muss.

Bei der Realisation von Qubits gibt es momentan aber noch einige große Herausforderungen. Im Zustand der Superposition sind Qubits enorm instabil und reagieren auf jeden äußeren Einfluss.

Die Kohärenzzeit, also die Dauer, in der Quantencomputer überhaupt einsatzfähig sind, ist daher recht kurz. Außerdem kommt es zu hohen Fehlerquoten was die Ergebnisse verfälscht.

Logische Qubits sind ein Versuch den Zustand der Superposition stabiler zu machen. Es werden mehrere Qubits zusammengefasst. Dadurch werden Zwischenmessungen ermöglicht, welche die Superposition des Qubits nicht zerstören.

Wird bei den sogenannten Syndrom-Messungen ein Fehler gefunden, kann der ursprüngliche Zustand wiederhergestellt werden. Durch dieses Vorgehen stehen allerdings weniger Qubits für die eigentliche Berechnung zu Verfügung.

Die tatsächliche Leistung eines Quantencomputers wird also nicht alleine von der Anzahl der Qubits bestimmt, sondern ist auch stark von Kohärenzzeit, Fehlerkorrektur und Messgenauigkeit abhängig.

Wissenschaftler:innen beschreiben dieses Zusammenspiel als Quantenvolumen.

Bei der eigentlichen Erzeugung von Qubits gibt es inzwischen mehrere Herangehensweisen. Man unterscheidet hier verschiedene Verfahren, die als Plattformen bezeichnet werden. Vielversprechend sind aktuell die auf Ionenfallen oder Supraleitern basierenden Technologien.

Bei supraleitenden Plattformen werden kleine Schaltkreise aus Materialien genutzt, die bei sehr niedrigen Temperaturen ihren elektrischen Widerstand verlieren. Damit sie als Quantenbits verwendet werden können, ahmen sie Atome nach, die zwei Energiezustände einnehmen und zwischen ihnen wechseln können.

Die Qubits sitzen auf einem etwa Fingernagel großen Quantenprozessor, der sich in einer kryotechnischen Kammer befindet.

Damit die Quantenbits auf dem Chip den supraleitenden Zustand erreichen können, wird die Kammer auf ungefähr -272°C abgekühlt. Das ist kälter als der Weltraum.

Mehrere nach unten hin immer kälter werdende Kühlzonen werden durch Platten abgetrennt. Über die Ebenen hinweg werden die Signale für die Steuerung der Quantengatter in den Spulen stufenweise abgekühlt. Um eine noch effizientere Kühlung zu ermöglichen, sind die Komponenten vergoldet. Die besondere Farbe und der stufenweise Aufbau erinnern an einen Kronleuchter.

Beim Betrieb verschwindet die Aperatur in einer aus mehreren Schutzschichten bestehenden Hülle. Sie soll zum einen vor äußeren Störungen schützen und zum anderen die Temperatur im Inneren aufrecht erhalten.

Solche Maschinen zu betreiben ist enorm teuer und energieaufwändig. Trotzt jahrelanger Forschung ist noch nicht verlässlich absehbar, ob und wann diese Technologie einen praktischen Nutzen hat. Warum wird also trotzdem weiter daran gearbeitet?

Wenn wir mit einem herkömmlichen Computer die Vorgänge der Quantenmechanik simulieren möchten, stoßen wir dabei sehr schnell an Grenzen. Schon allein ein System aus 50 Atomen kann auf Transistortechnik nicht mehr umgesetzt werden.

In der Pharmazie oder Materialforschung könnten solche Simulationen allerdings große Fortschritte bringen. Auch Wetter­vorhersagen könnten auf diese Weise sehr viel genauer werden, was besonders aufgrund des Klimawandels interessant ist.

Bei Fragen der Datensicherheit werden Quantencomputer auch immer relevanter. Heute werden alle digitalen Inhalte auf Basis der Primfaktorzerlegung verschlüsselt. Es existiert jedoch bereits ein bewiesener Quantenalgorithmus der solche Systeme aushebeln könnte. Wäre jemand plötzlich in der Lage den Shor-Algorithmus auf einem ausreichend leistungsstarken Quantencomputer auszuführen, könnte diese Person quasi in jedes System eindringen.

Das Annehmen aller möglichen Zuständen zur gleichen Zeit ermöglicht aber nicht nur die Suche nach Primfaktoren, sondern beschleunigt auch Optimierungsprobleme und das Navigieren großer Datenmengen. Letzteres ist besonders bei Künstlicher Intelligenz von Bedeutung.

Ein letztes potenzielles Einsatzgebiet für Quantencomputer ist die Quantenbiologie. Der Orientierungssinn von Zugvögeln oder die Energieeffizienz der Photosynthese sind Themen, mit denen sich auseinandergesetzt wird. Die vielleicht interessanteste aber gleichzeitig auch spekulativste Frage ist jedoch, ob möglicherweise auch Prozesse gleich denen des Quantencomputers im Gehirn stattfinden.

Der Quantencomputer ist eine Technologie, die spezifische Probleme der Mathematik in Zukunft wahrscheinlich um ein Vielfaches schneller lösen wird, als jeder transistorbasierte Rechner. Aufgrund der Größe, Komplexität und Instabilität dieser Systeme sind sie allerdings als stationäre Rechenmaschinen vorgesehen. Außerdem werden sie unsere bestehenden Technologien nicht ersetzen, sondern an den entscheidenden Stellen erweitern.