8-2024

Quantencomputing
Quantencomputing – Hope oder Hype?
Der Versuch eines neutralen Blicks auf eine mögliche Zukunftstechnologie
Im Juni 2021 wurde in Deutschland bei IBM
der erste Quantencomputer eingeweiht. Das
Interesse war riesengroß. Große Summen an
Forschungsgeldern werden bereitgestellt, denn
Quantencomputern werden unvorstellbare Leistungen
nachgesagt oder besser vorhergesagt.
Quantische Nobelpreisträger unter sich. Vlnr: Walther Nernst (Chemie 1920 - Thermomagnetischer
Effekt), Albert Einstein (Physik 1921 - Photoelektrischer Effekt), Max Planck (1918 - Wirkungsquantum),
Robert Millikan (Physik 1923 - Elektronenladung), Max von Laue (Physik 1914 - Interferenz der
Röntgenstrahlen) © Gemeinfrei; mit freundlicher Genehmigung der Humboldt-Universität zu Berlin
Vergangenes Jahr wurden drei Wissenschaftler
mit dem Nobelpreis für Physik geehrt. Ihr gemeinsames
Verdienst: In grundlegenden Experimenten
haben sie weit verbreitete und populäre
Zweifel an der Struktur und an der Interpretation
der Quantentheorie ausgeräumt. Ihre Arbeiten
haben zu technischen Umsetzungen geführt,
die früher einfach nicht vorstellbar waren. Eine
Nachrichtenübermittlung, die aus Gründen von
Naturgesetzen abhörsicher ist, oder das Beamen,
gab es zuvor nur in Science-Fiction-Filmen. Vor
allem trugen ihre Versuche für ein besseres Verständnis
grundlegender Wirk mechanismen bei.
So zeigten sie, dass die Quantentheorie nicht
auf den Bereich Mikrophysik beschränkt ist, sondern
dass Quanten effekte auch über mehrere
hundert Kilometer Entfernung auftreten.
Autoren:
Günter Kornmann
Tom Weber
Der Anfang
Der Einstieg in die Quantentheorie begann
1899. Max Planck (Bild 1) zeigte, dass Strahlung
nur in Quanten emittiert werden kann und
entdeckte damit das Wirkungsquantum als fundamentale
Naturkonstante. Einstein postulierte
1905, dass Strahlung auch als ein Strom von Teilchen
verstanden werden muss. Damit beschrieb
er den photoelektrischen Effekt, wofür er 1921
den Physik-Nobelpreis erhielt (und nicht, wie oft
behauptet, für seine Relativitätstheorien), Bild 2.
Die Beziehung zwischen Teilchen und Wellen
- der Dualismus - ist der eigentliche Kern der
Quantenstrukturen. Auf dieser Grundlage wurden
technische Lösungen entwickelt, die unseren
Alltag seitdem stark verändert haben: Computer
und Smartphones oder medizinische Geräte
wie Kernspin-Tomographen.
Bild 1: Prinzip des (äußeren) photoelektrischen
Effekts: Die Bestrahlung mit kurzwelligem Licht
löst Elektronen aus einer Oberfläche heraus. Auf
diesem Effekt beruht jede Solarzelle.
© Energie-experten.org
Was hat es mit der Quantentheorie
auf sich?
Ist das jetzt eine begründete Hoffnung auf eine
neue Ära der Computertechnik oder ein bloßer
Hype, der bald vorübergeht? Damit jeder sich sein
eigenes Bild machen kann, fokussiert sich dieser
Artikel auf die grundlegenden Voraus setzungen
und Strukturen auf Grundlage der physikalischen
Zusammenhänge. Daraus ergeben sich die für
diese Technologie erforderlichen Rechner-Architekturen,
welche hier ebenfalls möglichst einfach
und anschaulich umrissen werden.
Quantentheorie
Die Quantentheorie basiert auf Effekten, welche
in der klassischen Physik nicht vorkommen und
damit auch nicht sofort verständlich sind. Ein
erstes Beispiel: Die Messung eines Quantenzustands
beeinflusst die Messung selbst. Auf
der Quantenebene kann man also nicht sicher
sagen, welchen Einfluss der Messaufbau auf
das Ergebnis hat.
Moleküle
Ein weiteres Beispiel: Moleküle, aufgebaut aus
Atomen und über quantentheoretische Mechanismen
entstanden, kann man daher auch als
quantenmechanische Objekte verstehen. Sie
haben oft völlig andere Eigenschaften als die
ursprünglichen Atome. Wasser verhält sich völlig
anders als Wasserstoff und Sauerstoff. Beispielsweise
ist es nicht brennbar - was weder
für Sauerstoff noch für Wasserstoff gilt. Daher
wird die Quanten theorie oft auch die Physik der
Chemie bezeichnet.
Zurück zum eigentlichen Thema und unserer
Einschätzung: Quantencomputer werden die
klassischen Rechner nicht ersetzen - aber die
Ko existenz wird sehr fruchtbar sein. Wie wir zu dieser
Einschätzung kommen, lesen Sie nachfolgend.
Quantencomputing –
ein spannendes Konzept
Für die Forschung an Quantencomputern
stehen weltweit Milliarden zur Verfügung - entsprechend
wird intensiv geforscht und an den
technischen Herausforderungen gearbeitet.
Das ist offensichtlich auch nötig. So beschreibt
etwa Wikipedia einen Quantencomputer als „ein
überwiegend noch theoretisches Konzept mit
ersten speziellen und funktional eingeschränkten
Prototypen”.
20 PC & Industrie 8/2024