Mehr als 0 und 1 – Der Quantencomputer

Gleichzeitig „hier“ und „dort“ zu sein: Das ist in unserer schnelllebigen, globalisierten Welt für viele ein Traum. Doch im Gegensatz zur Star-Trek-Welt reicht in der realen Welt leider der schlichte Befehl „Scotty, beam mich hoch“ nicht aus, um uns ohne Zeitverlust von einem Ort zum anderen zu befördern. Ganz anders sieht es in der Welt der Quanten – der kleinsten Energieeinheiten auf atomarer oder subatomarer Ebene – aus. Die besonderen Eigenschaften von Kleinstteilchen wie Elektronen, Photonen oder Quarks machen sich sogenannte Quantencomputer zunutze. Große Technologieunternehmen wie Google und IBM forschen aktuell neben universitären Einrichtungen wie dem Karlsruher Institut für Technologie an der Entwicklung des Quantencomputers.

Teilbereich eines Quantencomputers

Getty/mviamonte

Wie funktioniert ein Computer?

Um zu verstehen, wie ein Quantencomputer funktioniert, ruft man sich am besten zunächst die Funktionsweise eines klassischen Computers ins Gedächtnis. Ein klassischer Computer rechnet mit „Bits“, die als kleinste Informationsträger entweder den Zustand 0 oder 1 annehmen können. Technisch wird dies mit einem Transistor, dem kleinsten Bauteil von Computerprozessoren, umgesetzt. Als elektrischer Schalter steuert der Transistor den Stromfluss. Ist der Schalter offen, entspricht dies dem Zustand 0 („Aus“). Ist der Schalter geschlossen, entspricht dies dem Zustand 1 („An“).

Alle Informationen, die ein Computer verarbeitet und berechnet, können als Zahlenreihe aus den beiden Bit-Zuständen 0 und 1 dargestellt werden. Um komplexe Berechnungen durchführen zu können, werden in einem Computerchip Milliarden von Transistoren benötigt und in einer bestimmten Weise angeordnet. Die in einem Computer verbauten Transistoren unterliegen dabei den Gesetzen der klassischen Mechanik.

Binärcode 0 und 1

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Wie funktioniert ein Quantencomputer?

Superposition

Ein Quantencomputer rechnet hingegen mit „Qubits“. Als Qubits können dabei z. B. Elektronen, Photonen oder Quarks verwendet werden, auf die die Gesetze der Quantenmechanik zutreffen. Diese sind im Vergleich zum „Streifenhörnchen“ Bit das reinste Chamäleon: Sie können gleichzeitig die gegensätzlichen Zustände 0 und 1 annehmen und befinden sich dann in der sogenannten „Superposition“. Verwendet man beispielsweise Elektronen in einem Quantencomputer, können die Zustände 0 und 1 durch die Richtung ihres „Spins“ – des Drehimpulses der Elektronen – dargestellt werden. Befindet sich ein Elektron in der Superposition, dreht sich das Elektron gleichzeitig in die eine und in die andere Richtung.

Dekohärenz

In diesem Zwischenzustand befinden sich Qubits jedoch nur im unbeobachteten Zustand. Durch eine Messung geht das Qubit in einen der beiden Zustände 0 oder 1 über. Im Falle des Elektrons würde es im Moment der Messung nur noch in eine der beiden Richtungen drehen. Dieses Phänomen, dass die Superposition durch Messprozesse verloren geht, wird als Dekohärenz bezeichnet.

Verschränkung

Doch das Chamäleon Qubit hat noch mehr schillernde Facetten. Sind zwei Qubits miteinander „verschränkt“, beeinflussen sie sich derart, dass Änderungen am einen Qubit unmittelbare Auswirkungen auf das andere haben. Sind z. B. zwei Elektronen miteinander verschränkt, nimmt das eine Elektron stets die gegenläufige Drehrichtung des anderen Elektrons ein – egal, wo im Universum es sich befindet. Informationen können in der Quantenwelt auf diese Weise „teleportiert“ werden. Zumindest Elektronen und andere Quanten können sich also bereits wie Mr. Spock und Captain Kirk bei Star Trek durch die Welt beamen.

Erklärvideo für die Mittelstufe: Was ist ein Quantencomputer?

Erklärvideo für die Oberstufe: Quantencomputer I Quanten Teil 3

Junge in Superheldencape und -maske

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Computer vs. Quantencomputer – ein Vergleich

COMPUTER QUANTENCOMPUTER
INFORMATIONSTRÄGER Bit Qubit
INFORMATIONSGEHALT 0 oder 1 0 und 1 gleichzeitig
TECHNISCHER INFORMATIONSTRÄGER Transistor als elektrischer Schalter Quanten, z. B. Elektronen, Photonen, Quarks
TECHNISCHER INFORMATIONSGEHALT 0 = offener Schalter = kein Stromfluss, 1 = geschlossener Schalter = Stromfluss bei Elektronen als Qubits: 0 = Drehimpuls in die eine Richtung, 1 = Drehimpuls in die andere Richtung

Schneller, als die Polizei erlaubt – Die Rechenleistung von Quantencomputern

Dank dieser spektakulären Eigenschaften können mithilfe von mehreren Qubits parallel unzählige Zustände berechnet werden – und das in atemberaubender Geschwindigkeit. Ursächlich hierfür ist, dass Qubits sich vor der eigentlichen Berechnung in der Superposition befinden. Im Moment der durchgeführten Rechenoperation liegt daher bereits jede mögliche Variation einer Antwort vor. Im Gegensatz dazu muss ein klassischer Computer erst alle Rechnungen einzeln nacheinander durchführen und sie im Anschluss miteinander vergleichen. Ein Unterschied wie Rechenschieber zu erstem Computer.

Für die Rechenleistung eines Quantencomputers ist dabei entscheidend, wie viele Qubits verwendet werden, wie fehlerhaft die Rechenleistung ist und wie lange die Qubits in einem Superpositions-Zustand gehalten werden können. Denn ebenso wie die Chamäleons der Tierwelt sind Qubits sehr anfällig für Umwelteinflüsse: Ihr Superpositions-Zustand kann nur über sehr kurze Zeitspannen stabil gehalten werden und erfordert hierfür Temperaturen von mindestens minus 270 Grad Celsius. Je tiefer die Temperaturen sinken, desto weniger störende thermische Bewegung findet statt.

Laptop mit startender Rakete

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Googles Prozessor Sycamore – ein Quantensprung?

Die Rechenleistung eines Quantencomputers wurde im Herbst 2019 von einem Forscherteam des Technologieunternehmens Google eindrucksvoll demonstriert. Ihr Quantencomputer mit dem Prozessor Sycamore löste eine spezielle Rechenaufgabe in nur drei Minuten, für die der aktuell schnellste Computer der Welt 10.000 Jahre benötigen würde. Das Forscherteam hat es dabei nicht nur geschafft, den flüchtigen Quantenzustand von 53 Qubits über drei Minuten lang stabil, sondern auch die Fehlerquote der Berechnungen möglichst gering zu halten. Laut renommierten Physikern ist Google damit ein Quantensprung in der Ingenieurskunst gelungen.

Podcast: Was steckt hinter dem Durchbruch von Google?

Springende Menschen vor Sonnenuntergang

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Anwendungsbereiche von Quantencomputern

Dieser spektakuläre Erfolg lässt hoffen, dass der Quantencomputer irgendwann komplexe Rechnungen lösen kann, für die der klassische Computer aktuell mehrere Wochen, Monate oder sogar Jahre benötigt. Die astronomisch hohe Rechenleistung des Quantencomputers könnte beispielsweise für die Berechnung komplexer Modelle sowie die Entwicklung neuer Materialien oder Stoffe genutzt werden.

Die Herstellung neuartiger Medikament mithilfe exakter Molekül- und Genmodelle, die Entwicklung effizienterer Energiespeicher oder die Entschlüsselung von bislang als sicher geltenden Verschlüsselungsmethoden bleiben aktuell allerdings noch Zukunftsmusik. Zwar könnte der Quantencomputer das „Unmögliche“ irgendwann möglich machen. Doch bis er praxistauglich wird, müssen noch viele Rechenaufgaben gelöst, neue Softwareprogramme für Quantencomputer geschrieben und unzählige Qubits durch die Quantenwelt gebeamt werden.

 

3D-Modell von Wassermolekülen

Getty/smirkdingo

Madeleine Hankele-Gauß

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