Wie Quantencomputing die Regeln der Digitalisierung neu definiert

Halbleiter-Pionier und Intels   Mitbegründer Gordon Moore formulierte 1965 das Grundgesetz der digitalen Revolution: das Mooresche Gesetz. Darin heißt es, dass sich die Anzahl der Komponenten auf einem integrierten Schaltkreis jedes Jahr verdoppelt. Später erweiterte er die Zeitspanne auf zwei Jahre. Schließlich legte sein Intel-Kollege David House das Gesetz in seiner letzten Form fest: Die Performance von Computerchips verdoppelt sich alle 18 Monate.

Viele Jahrzehnte behielt das Mooresche Gesetz seine Gültigkeit, inzwischen stößt es an Grenzen. Denn mit wachsender Performance tauchten auch erste Schwierigkeiten mit der zunehmend entstehenden Hitze auf. Doch noch prekärer ist das andere Problem: Die Chips erreichen mittlerweile "Größen" von rund 10 Nanometer. In wenigen Jahren sollen es nur noch zwei bis drei Nanometer sein. Das heißt, wir sind dann im Größenbereich von rund zehn Atomen.

Spätestens zu diesem Zeitpunkt müssten die Gesetze der Quantenphysik in vollem Umfang gelten. Das heißt aber auch, die in der Quantenwelt herrschende Unschärferelation macht das Verhalten der Elektronen und somit das der Transistoren absolut unzuverlässig. Wie ist das zu lösen?

Alte digitale Welt versus Quantenphysik

Doch erstmal zurück zum Anfang: Bei allen klassischen Rechnern nehmen die Bits als kleinste Einheiten entweder den Zustand Eins oder Null an. Während die Quantenbits beziehungsweise Qubits (Atome, Elektronen oder Photonen) bei den Quantencomputern gleich mehrere Zustände beziehungsweise Zwischenzustände von Eins und Null gleichzeitig darstellen können.

Dies kann man sich gut anhand einer Billiardkugel vorstellen: Bei einem klassischen Computer zeigen die Pole der Kugel die Zustände Eins und Null an und bei Quantencomputern können im Prinzip alle Punkte auf der gesamten Kugeloberfläche als ein möglicher Zwischenzustand gleichzeitig infrage kommen.

Das heißt, hier gilt im Gegensatz zu der herkömmlichen digitalen Welt nicht die Maxime "entweder oder", sondern der Grundsatz "sowohl als auch". Durch solche Überlagerungen können Berechnungen zeitgleich erfolgen, die bei den klassischen Computern - trotz Multitasking - immer nur nacheinander getaktet werden müssen. Dies ist auch der Grund, warum die Quantencomputer so extrem schnell sein können.

Geeignete Qubits erzeugen

Physikalische Systeme, die als Qubits dienen sollen, müssen besondere Voraussetzungen erfüllen. Sie müssen so klein sein, dass man rund 100 Millionen auf einem Plättchen von einem Quadratzentimeter beherbergen kann und sie sollten sich schnell von "on" auf "off" schalten lassen und vice versa, etwa eine Milliarde Mal in der Sekunde. Dies zeigt, dass geeignete Qubits eher Mangelware sind.

Selbst nach jahrelangen Forschungen und deutlichen Fortschritten in den 1990er Jahren können die Wissenschaftler hierzu immer noch keine vollends zufriedenstellende Ergebnisse präsentieren. Ein Ansatz verfolgt beispielweise das Ziel, den Spin eines Elektrons als Qubit zu verwenden. Dieser birgt mehrere Vorteile: Einerseits unterliegt der Elektronenspin den Gesetzen der Quantenphysik. Andererseits ist ein Elektron sehr klein, sein Spin sehr schwach und der Spin erzeugt auf Grund der Eigenrotation ein Magnetfeld nach oben und unten.

Somit hat er genau zwei Zustände. Das Problem: Jeder einzelne Spin muss sehr präzise eingestellt werden, was bereits für reale Systeme von lediglich vier oder acht Qubits sehr schwierig sein kann. Mit dem sogenannten Quantenpunkt wollen die Forscher erreichen, dass die Richtung des Spins jederzeit zuverlässig bestimmt und umgeschaltet werden kann.

Dafür wird ein Festkörper aus zwei Halbleitermaterialien schichtweise aufgebaut und nur etwa ein Zehntel Kelvin über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt. Mithilfe elektrischer Felder wird das Elektron fixiert. Auf diese Weise lässt sich der Spin des Elektrons elektrisch nach oben oder unten schalten und so zur Speicherung einer kleinsten Informationseinheit (0/1) nutzen.

Wichtiger Meilenstein zum Quantencomputer?

Google setzt mit seinem zuletzt vorgestellten Quantenprozessor mit 72 Qubits auch auf supraleitende Qubits. Das heißt, der Rechner arbeitet bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Die bisher vorgestellten Quantencomputer-Prototypen wiesen dagegen deutlich weniger Qubits, so um die 16 bis 20, auf. Die Grenze, bei der Quantencomputer noch keinen Vorteil gegenüber einem klassischen Supercomputer bringen soll, liegt derzeit etwa bei 45 Qubits.

Wichtig zu wissen: Mit jedem weiteren Qubit verdoppelt sich die Rechenkomplexität! Damit gilt es für manche als bewiesen, dass ein Quantencomputer den klassischen Computern überlegen sein muss, zumindest, was gewisse Rechenoperationen angehen. Das heißt aber noch lange nicht, dass ein Chip mit 72 Qubits bereits einen Nutzen in der Unternehmenspraxis stiften könnte.

Aktuell scheint die Entwicklung jedenfalls große Sprünge zu machen. So könnte im Laufe der nächsten Jahre die Entwicklung eines Quantencomputers mit 200 Qubits durchaus realistisch sein. Wenn es gelingt, die Fehlerquoten niedrig zu halten und effektive Algorithmen zu entwickeln, könnte ein Quantencomputer für folgende spezielle Anwendungen durchaus einen Nutzen bringen.

Ausgewählte Einsatzbereiche

Die Wissenschaft teilt die Auffassung, dass Quantencomputer zukünftig genau die Probleme lösen werden, bei denen heute die klassischen Supercomputer an ihre Grenzen stoßen. Dazu zählen vor allem Optimierungsprobleme, Identifikation von Mustern in Daten und komplexe Simulationen durchführen, die für herkömmliche Computer zu aufwendig oder nicht lösbar wären.

Logistik- und Optimierungsbereich

Zu den effizientesten Anwendungen für Quantencomputer gehört die Optimierung. Damit lassen sich unter anderem folgende Fragestellungen beantworten: Was ist für Mitfahrgelegenheiten wie Uber   der schnellste Weg, um so viele Kunden wie möglich abzuholen und wieder abzugeben? Was ist für ECommerce-Giganten wie Amazon   der kostengünstigste Weg, um Milliarden von Paketen während saisonaler Anstürme zu liefern? Zu diesem Zweck müssen Hunderte bis Tausende von Variablen gleichzeitig verarbeitet werden. Eine solche Leistung konnten herkömmliche Supercomputer bis dato nicht bewältigen.



Wetter- und Klimamodellierung

Bei der Wettervorhersage gibt es ähnliche Probleme wie im obigen Abschnitt: Es gibt zu viele Umgebungsvariablen. Mit einem Quantencomputer können Wetterwissenschaftler nicht nur kurzfristige Wettermuster perfekt vorhersagen, sondern auch genauere langfristige Klimabewertungen erstellen. Zum Beispiel um die Auswirkungen des Klimawandels vorherzusagen.



Personalisierte Medizin

Die Entschlüsselung der DNA und des Mikrobioms ist für die Medizin der Zukunft von entscheidender Bedeutung, um Medikamente zu verschreiben, die perfekt auf den jeweiligen Organismus angepasst sind. Während herkömmliche Supercomputer zwar Fortschritte bei der Dekodierung der DNA machen konnten, wird die Erforschung des Mikrobioms wohl letztlich erst mit Quantencomputern möglich sein. Mit dieser neuen Technologie kann Big Pharma auch besser vorhersagen, wie verschiedene Moleküle mit Medikamenten reagieren, wodurch die pharmazeutische Entwicklung erheblich beschleunigt und womöglich auch die Preise sinken werden.



Weltraumforschung

Die Weltraumteleskope von heute und morgen sammeln jeden Tag enorme Mengen astronomischer Bilddaten, die die Bewegungen von Billionen von Galaxien, Sternen, Planeten und Asteroiden beobachten. Doch dies sind für die heutigen Supercomputer viel zu viele Daten. Mit einem ausgereiften Quantencomputer in Kombination mit maschinellem Lernen (ML) ließen sich diese Daten endlich effizient verarbeiten. Dies soll bis Anfang der 2030er Jahre mit der Entdeckung von Hunderten bis Tausenden neuen Planeten möglich sein.



Maschinelles Lernen

Algorithmen für maschinelles Lernen benötigen bei Verwendung herkömmlicher Computer riesige Datenmengen, um neue Fähigkeiten zu erlernen. Mit Quantencomputern kann das maschinelle Lernen oft mit wenigen Anweisungen neue Fähigkeiten mit weniger und unstrukturierteren Daten erlernen. Dies ist unter Forschern auch ein Thema auf dem Gebiet der künstlichen Intelligenz (KI), da eine verbesserte Lernfähigkeit den Fortschritt in der KI-Forschung um Jahrzehnte beschleunigen könnte.



Datenverschlüsselung

Ein Thema, das den meisten Forschern Kopfzerbrechen bereitet. Denn alle aktuellen Methoden der Verschlüsselung hängen von der Erstellung von Passwörtern ab, deren Knacken ein klassischer Supercomputer viele Jahre benötigen würde. Quantencomputer könnten dies theoretisch in weniger als einer Stunde leisten. Bankwesen, Kommunikation, nationale Sicherheitsdienste und natürlich das Internet selbst sind auf zuverlässige Verschlüsselungen angewiesen. Mit Quantencomputern sind diese Branchen hochgradig gefährdet und bringen im schlimmsten Fall auch die gesamte Weltwirtschaft in Schieflage. Erst eine Art Quantenverschlüsselung wäre wiederum in der Lage, das Problem zu lösen.

Grenzen der Quantencomputer

Obwohl der herausragende Leistungszuwachs der Quantencomputer beeindruckend sein mag, besitzen auch sie Grenzen und Einschränkungen dahingehend, wie Aufgaben durch die Nutzung der Quanteneigenschaften gelöst werden können. Der größte Nachteil liegt vor allem darin, dass die Quantenphysik im Grunde noch nicht vollständig erforscht werden konnte.

Daher sind sich die Forscher noch nicht darüber einig, wie ein Quantencomputer schließlich in einer kompakten Bauweise für den Massenmarkt einmal aussehen könnte. Hinzu kommt, dass die Umgebungsvoraussetzungen hinsichtlich der Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, die erzeugt werden müssen, um einen Quantencomputer in einem stabilen Zustand zu halten, sehr extrem sind. Da dies alles noch sehr problematisch ist, sind die aktuellen Quantencomputer instabil und meist nur in sehr kurzen Zeiträumen in vollem Umfang funktionsfähig.

Mit der Formulierung von Quantenalgorithmen entfaltet ein Quantencomputer erst sein volles Potenzial. Quantenalgorithmen nutzen das Phänomen der Quantenparallelität. Diese Algorithmen sind jedoch heute noch recht kompliziert zu erstellen und werden auch in Zukunft noch viel Forschungs- und Entwicklungsarbeit beanspruchen.