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Technik kurz erklärt Die Entwicklung des Quantencomputers

| Autor: Katharina Juschkat

In unserer Serie „Technik kurz erklärt“ stellen wir jede Woche ein Meisterwerk der Konstruktion vor. Heute: Der Quantencomputer.

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Quantencomputer machen sich Quantenmechanische Effekte wie die Superposition und die Verschränkung zunutze, um eine enorme Rechenpower zu erbringen.
Quantencomputer machen sich Quantenmechanische Effekte wie die Superposition und die Verschränkung zunutze, um eine enorme Rechenpower zu erbringen.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay)

Will man einen Quantencomputer und seine Fähigkeiten beschreiben, klingt es manchmal so, als würde man Magie beschreiben – denn im Quantenbereich gilt nicht mehr unser Verständnis von Physik. Um Quantencomputer zumindest im Ansatz zu verstehen, sollte man zuerst einen Blick auf klassische Computer werfen: Ein Computer basiert auf kleinsten elektronischen Schaltkreisen, die wiederum in Mikrochips eingebettet sind, also sogenannten integrierten Schaltkreisen (ICs) .Darin verbaut sind aktive und passive Bauelemente, Leitungen und Transistoren – winzige, elektronische Schalter und die kleinste funktionelle Einheit in einem Computer.

Warum Transistoren nicht kleiner werden können

Ein Transistor funktioniert wie ein Schalter: Er gibt mittels Spannungspotentiale einen Zustand wieder – entweder 0 oder 1, die kleinste binäre Einheit in einem Computer, das sogenannte Bit. Transistoren werden miteinander verknüpft, um wiederum Logikgatter zu erstellen. Diese Logikgatter können, untereinander verknüpft, einfachste Rechen- und Speicheroperationen durchführen. Diese einfachen Schaltungen genügen, um hochkomplexe Anwendungen durchzuführen, wie es heutige moderne Computer leisten können.

Um mehr Leistung zu erreichen, wird Computertechnik seit Jahrzehnten immer weiter miniaturisiert. Transistoren sind heute mit gerade einmal 10 Nanometern unvorstellbar klein – auf einen Chip mit den Abmessungen von zwei auf zwei Zentimetern passen damit 18 Milliarden Transistoren.

Doch jetzt ist ein physikalisches Limit in der Miniaturisierung erreicht. Zum einen genügen die gängigen Herstellungsmethoden mittels ultravioletten Lichts nicht mehr, um noch kleinere Transistoren herzustellen. Und zum anderen treten bei Transistoren, die nur wenige Atome groß sind, merkwürdige physikalische Gegebenheiten auf, die nach unserer Vorstellung eigentlich nicht möglich sein sollten: Obwohl im Transistor eine physikalische Barriere die Elektronen daran hindern kann, weiterzukommen, schaffen sie es in dieser kleinen Größenordnung, die Barriere zu passieren. Dieser Tunneleffekt wird auch Quantenmechanischer Effekt genannt und verhindert, dass klassische Computer weiter miniaturisiert werden können.

Doch Forscher wollen sich diesen Effekt zunutze machen, um sogenannte Quantencomputer zu entwickeln.

Wie funktioniert ein Quantencomputer?

Bei Quantencomputern ist die kleinste Informationseinheit nicht das Bit, sondern das Quantenbit, oder kurz Qubit. Ein klassischer Bit hat den klar definierten Zustand 1 oder 0. Auch das Qubit kennt die Zustände 1 und 0, doch im Gegensatz zum herkömmlichen Bit hat das Qubit beide Zustände gleichzeitig inne, es beschränkt sich also nicht auf einen Zustand. Diese Eigenschaft nennt man Superposition.

Und hier wird es spannend: Der Zustand der Superposition bleibt nur solange erhalten, wie das Qubit unbeobachtet ist. In dem Moment aber, in dem der Zustand der Qubits ermittelt wird, nimmt es mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit einen klar definierten Zustand – 1 oder 0 – ein.

Die Rechenpower von Quantencomputer wird hier auch deutlich: Bei einem klassischen Computer können mit einem Bit vier verschiedene Kombinationen (00, 11, 10, 01) dargestellt werden, aus denen man sich für eine entscheidet – bei einem Qubit aber können alle vier Kombinationen gleichzeitig verwendet werden. Zudem ist es Qubits durch ihre Superposition möglich, parallele Rechenoperationen durchzuführen – und jeder hinzukommende Qubit vervielfacht das exponentiell.

Eine zweite bemerkenswerte Eigenschaft von Quantencomputern ist die Verschränkung. Zwei Qubits, die miteinander verschränkt sind, haben eine Verbindung zwischen sich bestehen – und zwar unabhängig von ihrer Entfernung. Auch über tausende von Kilometern nimmt das Qubit den Zustand seines verschränkten Qubits ein, und das gänzlich ohne zeitliche Verzögerung.

Wie berechnet ein Quantencomputer?

Wie bereits beschrieben, wenden klassische Computer Logikgatter für Berechnungen an. Bei Quantencomputer finden sogenannte Quantengatter Einsatz und obwohl sich diese Gatter enorm unterscheiden, lassen sich die gleichen Rechenoperationen durchführen – mit dem bahnbrechenden Unterschied, dass ein Quantencomputer diese Berechnungen gleichzeitig durchführen kann.

Was ein Quantencomputer kann

Verschlüsselungen: Diese Fähigkeit kann tatsächlich zur Gefahr für unsere IT-Sicherheit werden, besonders für aktuelle kryptographische Verschlüsselungsverfahren. Die Primfaktorzerlegung ist eine gängige Verschlüsselung und gilt als sehr sicher. Dabei wird eine Zahl aus der Multiplikation mehrerer Primzahlen hergestellt. Um die ursprünglichen Primzahlen wiederherzustellen, bräuchten aktuelle Computer 100.000 Jahre. Da Quantencomputer Rechenoperationen aber parallel durchführen können, wären sie in der Lage, diese Verschlüsselungen innerhalb von Minuten mit dem sogenannten Shor-Algorithmus zu knacken. Das beträfe Verschlüsselungen von E-Commerce-Plattformen, Cloud-Angeboten, E-Banking, IoT-Systemen und allem, was im Internet verschlüsselt übertragen wird.

Die gute Nachricht aber ist, dass Quantencomputer auch eine neue Art der Verschlüsselung, die Quantenkryptografie, ermöglichen. Dennoch warnen Sicherheitsexperten heute schon, an mögliche Quantencomputer in der Zukunft zu denken – vor allem bei sensiblen Daten, die über Jahrzehnte hinweg gespeichert werden, Bankdaten etwa, besteht die Gefahr, dass mit dem Aufkommen von Quantencomputern die alte Verschlüsselung schnell geknackt wird.

Datenbanken: Eine weitere Anwendung von Quantencomputern ist die Suche in gigantischen Datenbanken mittels des Grover-Algorithmus. Während ein klassischer Computer eine Datenbank Eintrag für Eintrag durchsucht, kann hier der Quantencomputer aufgrund der Superposition die Einträge wesentlich schneller scannen.

Simulationen: Auch hochkomplexe Simulationen, etwa von der Quantentechnik selbst oder von komplizierten Molekularstrukturen, können von der Quantentechnik profitieren, da hier herkömmliche Computer an ihre Grenzen stoßen.

Was ist der aktuelle Stand der Quantencomputer?

Aktuell bauen sowohl Forschungseinrichtungen als auch Unternehmen Quantencomputer, wobei hier noch völlig unterschiedliche Architekturen genutzt werden. Google und IBM bauen getrennt voneinander einen Quantencomputer auf Basis von supraleitenden Streifenleitungsresonatoren. Ein Qubit ist dabei eine Elektronenwolke innerhalb eines Mikrowellen-Oszillators. Das wird heruntergekühlt auf 15 Millikelvin, also nahe dem Nullpunkt. Ein Josephson-Kontakt bietet die Möglichkeit zur Quantentunnelung, und durch die Anpassung der Oszillatorfrequenz können die Qubits miteinander verschränkt und Quantengatter angewandt werden.

Im vergangenen Jahr hat Google damit Aufsehen erregt, dass sie ihren ersten Quantencomputer vorstellten, der eine Berechnung, für die klassische Computer eigentlich 10.000 Jahre benötigten, innerhalb von Minuten durchführte. Diese Berechnung wurde mit 53 Qubits durchgeführt. Als nächsten Schritt will Google einen Chip mit 1.000 Qubits realisieren – allerdings ist die Menge an Qubits nicht allein ausschlaggebend für die Rechenpower, die Qubits müssen auch qualitativ hochwertig sein, um eine geringe Fehlerquote aufzuweisen.

Wie wichtig Quantencomputer für unsere Zukunft werden, lässt sich aktuell kaum sagen. Die Forschung am Quantencomputer steckt immer noch in den Kinderschuhen. Es ist unwahrscheinlich, dass sie unsere klassischen Computer ersetzen werden, aber in welche Richtung die Entwicklung geht, und was der nächste Quantensprung sein wird – in diesem Zusammenhang übrigens ein Januswort, denn ein physikalischer Quantennsprung ist etwas winzig Kleines – ist ungewiss.

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Über den Autor

 Katharina Juschkat

Katharina Juschkat

Redakteurin, Vogel Communications Group