Telecom e.V.
29.04.2019

Der Quantenrechner kommt – schmeißen Sie Ihren Computer trotzdem nicht weg!

Sehr geehrte Mitglieder,

Quanten Computer werden unser Leben revolutionieren. Sie werden Dinge tun, die nicht in unseren Bezugsrahmen passen und uns wie Magie vorkommen.

Versetzen wir uns 100 Jahre zurück, würden wir zwar die naturwissenschaftlichen Grundlagen des Feldeffekttransistors kennen, wir könnten aber keinen bauen. Geschweige denn ein NAND-Gatter, einen Mikroprozessor und schon mal gar keinen Computer. Aber stellen wir uns die Euphorie der Menschen vor, in der bereits unausgesprochen eine Ahnung dieser neuen Erfindungen mitschwang.

Mit dem Quantencomputer verhält es sich heute ähnlich. Die Theorie ist klar, Maschinen mit wenigen QuBits und Programmiersprachen existieren bereits, man weiß, wie man Quantengatter aufbaut – aber es wird noch ein wenig Zeit vergehen, bis erste Anwendungen laufen und noch deutlich mehr Zeit, bevor Quanten Computer herkömmliche Computer ersetzten könnten.

Zeit, die Sie gut nutzen können, um ein paar Grundlagen zu verstehen und sich über den Stand der Entwicklung zu informieren. Denn – auch wenn vieles noch in den Kinderschuhen steckt – Quanten Computer werden kommen.

Grundlagen

Heutige Computer basieren auf einem binären System aus 0 und 1 und den logischen Verknüpfungen dieser eindeutigen Zustände. Eindeutig deshalb, weil der Schaltzustand eines Transistors entweder ein oder aus ist und so den Zustand eines Bits repräsentiert: 0 oder 1. Für sich genommen ist das keine besondere Leistung, das könnte man mit einer Geldmünze (Kopf oder Zahl), einer Kerze (an oder aus) oder dem Zustand einer Tür (auf oder zu) einfacher haben. Die enorme Rechenleistung von heutigen Computern kommt durch die massive Kombination von Milliarden von Transistoren auf einem Computerchip zustande. Nach dem Mooreschen Gesetz soll sich die Dichte von Transistoren (und damit die Anzahl) jedes Jahr verdoppeln. Blickt man in die vergangenen Jahrzehnte, kommt das ganz gut hin. Das musste auch so sein, um den wachsenden Hunger an Rechenleistung zu befriedigen. Der Haken: dieser Hunger wird sich voraussichtlich genauso weiterentwickeln, Computerchips können diesen zusätzlichen Hunger aber nicht mehr lange decken. Der Grund dafür ist die Miniaturisierung. Wenn Transistoren nur noch aus einer überschaubaren Menge an Atomen bestehen, gelten die für uns gewohnten Gesetze der Physik nicht mehr; an ihre Stelle treten die Gesetze der Quanten-Physik. Das hat zur Folge, dass 0 und 1 sich nicht mehr so ganz einfach als eindeutigen Zustand erfassen lassen.

Diese Not wird in Zukunft quasi zur Tugend, da diese Unbestimmtheit des Zustandes (Superposition genannt) eine der wesentlichen Merkmale eines Quanten Computers ist. Deshalb sprechen wir auch nicht mehr vom Bit, sondern vom Qubit.

Qubits

Qubits lassen sich nicht ohne weiteres auf den Zustand von (entweder) 0 oder 1 festlegen; vielmehr sind sie in der Lage, gleichzeitig mehrere Zustände einzunehmen. In Bits ausgedrückt entspricht das den Zuständen 00, 01, 10 und 11. Der Clou: Quanten Computer rechnen mit allen Zuständen gleichzeitig bzw. parallel. Und jetzt kommt das Aber: die Auswertung des Ergebnisses zerstört diese Parallelität. Das ist kein spezifisches Problem des Quantenrechners, sondern eines der Gesetze der Quantenphysik. Siehe dazu auch z.B. Schrödingers Katze (https://de.wikipedia.org/wiki/Schr%C3%B6dingers_Katze). Quantenrechner sind durch die parallele Verarbeitung also rasend schnell – zum Schluss bekommt man aber trotzdem nur ein Ergebnis. In der Folge bedeutet das, dass Quantenrechner in Zukunft Aufgaben in Minuten erledigen werden, für die herkömmliche Hochleistungsrechner ein ganzes Menschenleben brauchen würden, z.B. das Knacken von kryptografischen Verfahren.  In der absehbaren Zukunft wird unsere Textverarbeitung oder unser Web-Browser aber immer noch auf halbleiterbasierten Rechnern laufen.

Stand der Entwicklung

Um quantenmechanische Effekte nutzen zu können werden momentan unterschiedliche physikalische Verfahren erforscht.

Quantenrechner mit 16 bis 17 Qubits werden von IBM auf Basis von Supraleitung – bei näherungsweise -273° C bzw. 0° K – und Halbleitern realisiert.

Bei einem anderen Verfahren werden Ionen mit Lasern beschossen, um die Energieniveaus zu kontrollieren (Universität in Essex). Hier wird es noch einige Jahre für konkrete Ergebnisse brauchen. Das gleiche gilt für den Ansatz, Qubits im niedrigen zweistelligen Bereich mit Hilfe von Photonen abzubilden (Novarion).

Wie eine Sensation klingt da die Aussage der Firma D-Wave, 2.000 Qubits realisiert zu haben. Aus Sicht der Wissenschaftler werden hier aber Äpfel mit Birnen verglichen, da dieser Rechner nicht als universeller Quantenrechner gilt.

Ausblick

Zu den möglichen Einsatzgebieten gehören:

  • Simulation kom­plexer chemischer Vorgänge
  • Echtzeitsuche in riesigen Datensätzen
  • kryptographische Verfahren
  • Simulation von quantenphysikalischen Phänomenen.
  • Digital Twins
  • Verkehrsflusssteuerung
  • Pharmazie und Materialforschung
  • Supply Chain Management und Logistik
  • Finanzwesen

In Deutschland zeigt die Industrie und die Wirtschaft bisher aber nur verhaltenes Interesse. Alleine das Thema Verschlüsselung würde aber eine vertiefte Auseinandersetzung rechtfertigen. Die Wahrscheinlichkeit, dass innerhalb einer Dekade ein Quantenrechner, der jedes bekannte kryptografische Verfahren schlagartig entwerten würde, gebaut wird, sehen einige Wissenschaftlern (z.B. Michele Mosca) bei 50%.

Des Weiteren kann unterstellt werden, dass das Mooresche Gesetz auch für die Entwicklung von Quantenrechnern gelten wird. Nach einer vielleicht eher gemächlichen Anlaufphase haben wir einen wilden Ritt vor uns, der alle unbedarften aus dem Sattel zu schleudern droht.

Also Zeit, dass das Thema Quanten Computer auch bei uns mehr Fahrt aufnimmt.

Herzlichst Ihr

Wolfgang Kuhl

Vizepräsident

„Ein rein verstandesmäßiges Weltbild ganz ohne Mystik ist ein Unding.“ — Erwin Schrödinger

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