Quantencomputer

  • Was ist ein Quantencomputer?
  • Wofür sind Quantencomputer gut?
  • Und warum dich das interessieren sollte.
  • Einfach erklärt.

Was ist ein Quantencomputer?

Bob: Hey Alice, was ist denn ein Quantencomputer?

Alice: Hey Bob, ein Quantencomputer nutzt die fundamentalsten Regeln der Natur voll aus. Das bringt enorme Vorteile. Ein funktionierender Quantencomputer kann Probleme in Minuten lösen, für die der beste klassische Supercomputer der Welt länger brauchen würde als das Universum alt ist.

Der klassische Computer

Bob: Was ist denn ein klassischer Computer?

Alice: Die klassischen Computer, die du in deinem Smartphone oder deinem Laptop findest, nutzen klassische Physik. Obwohl sie ohne Quantenphysik nicht funktionieren würden, nutzen sie nicht die Regeln der Quantenphysik für ihre Berechnungen. Sie arbeiten mit klassischen Bits. Ein klassisches Bit kann entweder 1 oder 0 sein. Klassische Computer speichern und manipulieren Informationen mit Bits oder logischen Operationen auf diesen Bits.

Quantenbits

Bob: Okay und was ist jetzt der Unterschied zu einem Quantencomputer?

Alice: Ein Quantencomputer benutzt Quantenbits, kurz „Qubits“. Diese können nicht nur 1 ODER 0 sein, sondern 1 UND 0. Das kann der Quantencomputer nutzen um parallel unglaublich viele Möglichkeiten durchzuprobieren, wobei ein klassischer Computer jede Möglichkeit einzeln durchgehen muss.

Bob: Wie soll das gehen. Etwas kann doch nicht 1 und 0 gleichzeitig sein.

Alice: Doch. Die fundamentalen Gesetze der Physik erlauben genau das. Es ist möglich, dass etwas mehrere Eigenschaften gleichzeitig besitzt. Und das obwohl sich diese Eigenschaften gegenseitig ausschließen.

Wozu braucht man einen Quantencomputer?

Bob: Das ist ja verrückt. Und was kann man mit so einem Quantencomputer jetzt alles anstellen?

Alice: Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig. Von Simulationen von chemischen Reaktionen um neue wirksame Medikamente zu finden über Wettervorhersage, Verkehrssimulationen um Staus vorzubeugen, neue und bessere Batterien zu erfinden bis zu abhörsicherer Kommunikation. Und wahrscheinlich noch vieles mehr, was wir uns heute noch gar nicht vorstellen können. Außerdem ist ein Quantencomputer eine unglaublich mächtige Waffe. Damit könntest du derzeitige Kreditkarten knacken und in als heute sicher geltende Computersysteme eindringen um an geheime Informationen zu kommen. Deswegen will jede Nation unbedingt so ein Ding haben und es fließt eine Menge Geld in die Entwicklung von Quantencomputern.

Bob: Okay, Ich will auch so ein Teil haben.

Alice: Das dürfte sehr schwer werden. Es gibt noch keinen wirklich gut funktionierenden Quantencomputer.

Existieren bereits Quantencomputer?

Bob: Aber ich habe da was von Google und IBM und D-Wave gelesen. Was soll dann der ganze Medien-Hype?

Alice: Stimmt. Es gibt bereits Prototypen. Die sind aber noch weit davon entfernt wirklich wichtige Probleme lösen zu können.  Der D-Wave zum Beispiel ist nicht mal ein universeller Quantencomputer, sondern etwas was man einen adiabatischen Quantencomputer nennt. Das bedeutet, der D-Wave eignet sich bis jetzt nur für Optimierungsprobleme und scheitert an den meisten Anwendungsmöglichkeiten. Trotzdem finde ich es sehr beeindruckend was diese D-Wave Nerds da gebaut haben. Der D-Wave basiert auf supraleitenden Schaltkreisen mit eingebauten künstlichen Qubits, welche auf knapp über den absoluten Nullpunkt gekühlt werden müssen. Allerdings wirst du dir so ein Ding kaum leisten können, der kostet nämlich um die 10 Millionen Dollar.

Bob: Ja wenn das nur so ein adiabatisches Ding ist, was immer das bedeuten soll, kannst den ja eh in die Tonne treten. Wenn dann will ich einen universellen Quantencomputer.

Alice: Daran arbeiten gerade Google und IBM. Tatsächlich kannst du schon heute einen Quantencomputer nutzen. Der von IBM ist über eine Internetschnittstelle öffentlich nutzbar. Der hat allerdings nur sehr wenige Qubits (Stand 2019: 53 Qubits) und ist noch recht fehleranfällig.

Bob: Und wie funktioniert der?

Warum ist es so schwer einen Quantencomputer zu bauen?

Alice: So wie der D-Wave basiert er auch auf supraleitenden Schaltkreisen. Diese sind allerdings anders verschaltet. Das schwierige bei einem universellen Quantencomputer ist, dass keine Information über die Rechnung währenddessen nach draußen dringen darf. Das heißt, man muss ihn extrem gut vor der Außenwelt abschirmen. Das ist auch der Grund warum man diese Dinger so kühlen muss und warum es so schwer ist einen gut funktionierenden Quantencomputer zu bauen.

Bob: Aha. Und warum muss man die so gut abschirmen?

Alice: Der Grund ist, dass diese ganzen Qubits miteinander verschränkt werden müssen. Das bedeutet ihre Möglichkeiten, 0 oder 1 zu sein, müssen miteinander verbunden werden können. Dann können diese Möglichkeiten miteinander tanzen und am Ende dieses Tanzes kommt dann ein Ergebnis raus.

Aber wenn irgendetwas diesen Tanz der Möglichkeiten stört, indem es ihn zB beobachtet, kommt dieser Tanz der Möglichkeiten aus dem Takt und das Ergebnis wird verfälscht. Wenn Möglichkeiten aus dem Takt kommen, nennt man das übrigens Dekohärenz. Dekohärenz muss um jeden Preis verhindert werden.

Quantenüberlegenheit

Bob: Verstehe. Und was war das mit Google?

Alice: Google hat 2019 behauptet sie hätten den ersten Quantencomputer gebaut, der 100 Millionen Mal schneller ist als ein klassischer Computer. Wenn ein Quantencomputer schneller ist als ein klassischer Computer, nennt man das „Quantenüberlegenheit„. Allerdings hat Google da ein wenig übertrieben, indem es die modernen klassischen Computer stark unterschätzt hat. Außerdem kann dieser Quantencomputer nur sehr spezifische Probleme schneller lösen als ein klassischer Computer. Nichtsdestotrotz ist der Quantencomputer von Google ein absoluter Meilenstein und ich habe riesigen Respekt vor den Google Nerds.

Bob: Verstehe. Gibt es denn für dieses Ding jetzt schon fertig ausgearbeitete mögliche Anwendungen?

Alice: Spontan fallen mir da nur Primfaktorzerlegung und Datenbankdurchsuchen ein. Nehmen wir mal an, du hast eine riesigen Haufen Daten und suchst eine bestimmte Datei. Ein klassischer Computer muss alle Daten nacheinander durchgehen und schauen ob sie mit der gesuchten übereinstimmen. Das kann je nach Datenmenge sehr lange dauern. Ein Quantencomputer kann sich alle Daten gleichzeitig ansehen. Allerdings muss er mehrmals nachschauen, damit er sicher ist welche die richtige Datei ist. Insgesamt bringt das trotzdem einen riesigen Vorteil. Wenn ein klassischer Computer für diese Suche einen Monat braucht, schafft es ein Quantencomputer in weniger als einer halben Stunde. Das ist schon ein enormer Unterschied.

Paralleluniversen

Bob: Wahnsinn. Was hat denn ein Quantencomputer mit Paralleluniversen zu tun?

Alice: Gute Frage! Wir haben ja schon besprochen, dass ein Quantencomputer koexistierende Möglichkeiten zum Rechnen benutzt. Wenn man Theorie der Quantenphysik ernst nimmt, kann man jede Möglichkeit als eine eigene Realität interpretieren, in der diese Möglichkeit realisiert ist.

In anderen Worten: Ein Quantencomputer ist deshalb so schnell, weil er seine Rechnungen an parallele Realitäten (oder Universen) auslagern kann. Und wenn er vor Dekohärenz geschützt ist, kann er die Ergebnisse, die in den anderen Universen erzielt worden sind, nutzen.

Bob: Das ist ja total abgedreht.

Alice: Das ist es. Und wir sind erst am Anfang zu verstehen, was man mit so einem Ding alles machen kann. Ich bin davon überzeugt, dass Quantencomputer unsere Welt sehr stark verändern werden.

Bob: Hoffentlich zum Guten.

Alice: Das wird ganz von uns Menschen abhängen.

Quantencomputer und künstliche Intelligenz

Bob: Naja, nicht unbedingt, oder? Was ist denn mit künstlicher Intelligenz? Kann man die nicht auch auf einem Quantencomputer laufen lassen?

Alice: Kann man. Das ist ein extrem interessantes Forschungsgebiet und einige Forscher zerbrechen sich darüber täglich dem Kopf. Eine Frage, die ich sehr interessant finde: Hat eine künstliche Intelligenz, die auf einem Quantencomputer läuft, ein Bewusstsein? Kann dieses Intelligenz parallele Universen erfahren?

Bob: Unglaublich spannend. Ich glaube ja.

Habt ihr Fragen? Stellt sie in den Kommentaren!

Was ist ein Quantencomputer?

Ein Computer, der die fundamentalen Regeln der Natur - die Quantenphysik - voll ausnutzt um Probleme zu lösen.

Wozu brauchen wir einen Quantencomputer?

Anwendungsgebiete sind: Chemie simulieren, Medikamente finden, Verkehrsimulationen für Stauvorbeuge, abhörsichere Kommunikation, schnelles Durchsuchen von großen Datenmengen, Wettervorhersage und vieles mehr.

Gibt es bereits Quantencomputer?

Es gibt Prototypen von D-Wave (kein universeller Quantencomputer), IBM und Google. Derzeit ist keiner dieser Quantencomputer in der Lage interessante und relevante Probleme zu lösen. (Stand Januar 2020)

Warum ist es so schwer einen Quantencomputer zu bauen?

Damit ein Quantencomputer funktionieren kann, muss er vollständig von der Außenwelt abgeschirmt sein. Das ist extrem schwierig.

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