8-2024

Quantencomputing
Bild 2: Innenleben eines Quantencomputers © IBM
Betrachten wir das Thema unter dem Aspekt
eines Quanten prozessors, also als Zusatz-
Recheneinheit, welche die Gesetzmäßigkeiten
der Quantentheorie nutzt (Bild 3). Statt mit
binären Zuständen arbeitet der Quantenprozessor
mit quanten mechanischen Zuständen, wie
dem Superpositions prinzip oder der Quantenverschränkung
(siehe Quantentheorie und Quantencomputing).
Um diese Effekte nutzen zu können, sind heute
noch komplexe Versuchsaufbauten erforderlich.
Diese isolieren Quantensysteme von äußeren
Einflüssen. Sie erfordern das Arbeiten auf
extrem niedriger Temperatur, derzeit noch nahe
dem absoluten Nullpunkt.
Eine der zentralen Herausforderungen für den
praktischen Einsatz besteht also darin, Quantenprozessoren
auch bei „Zimmertemperatur“ einsetzen
zu können. Dass dies grundsätzlich möglich
ist, beweist uns unser Gehirn jeden Tag.
Der Motivator für all diese Anstrengungen:
Erste Quantenprozessoren sind heute schon in
der Lage, bestimmte komplexe Berechnungen
erheblich schneller zu leisten als traditionelle
Rechenzentren.
Quantencomputing – erste Realisierungen
Die hohen bewilligten Forschungsgelder lassen
zwei Schlüsse zu:
1. für das Quantencomputing existieren sehr konkrete
Ansätze - aber die Technologie steckt
noch in den Kinderschuhen
2. beim Quantencomputing geht es um einen
potenziell riesigen Markt. Wichtig ist daher
eine hohe Geheimhaltung. Jede Weitergabe
von Wissen oder Ideen könnte die Wettbewerber
beflügeln.
Beides befeuert das Rennen um einen einigermaßen
praxistauglichen Quantenprozessor.
Qubits
Im Labor werden derzeit Rechenprozesse
erforscht, welche auf die jeweiligen Versuchsaufbauten
abgestimmt sind. Der Quantenprozessor
in Baden-Württemberg beispielsweise arbeitet
mit 27 supraleitenden Qubits, dem Äquivalent
der Recheneinheit Bit im klassischen Computer.
Zum Vergleich: Der größte öffentlich bekannte
Quantenprozessor verfügte im November 2021
laut Wikipedia über 127 Qubits und ein Jahr
später über 433 Qubits.
Einfachere Laboraufbauten schafften es immerhin
mit 7 Qubits, die Zahl 15 in ihre Primzahlen 3
und 5 zu zerlegen. Neben der Anzahl von Qubits,
die zum Einsatz kommen, ist es für den Versuchsaufbau
wichtig, eine geringe Fehlerquote zu garantieren.
Denn nur wenn es gelingt, das Quantensystem
möglichst lange in einen stabilen Zustand
zu bringen, entsteht beim Auslesen der Ergebnisse
eine hohe Aussagekraft (siehe Kasten Grover­
Algorithmus). Deshalb hält sich auch hartnäckig
die Meinung, Quantenprozessoren seien fehleranfällig
und nur mäßig skalierbar.
Aufgrund fehlender standardisierter Hardware
von Quantenprozessoren gibt es wenig
konkrete Aussagen zur Qualität der diskutierten
Algorithmen. Allerdings zeigen theoretische
Studien, dass mit Quanteneffekten bestimmte
Probleme der Informatik, wie das Durchsuchen
von riesigen Datenbanken (Grover-Algorithmus)
oder das Zerlegen von großen Zahlen in Primzahlen
(Shor-Algorithmus) wesentlich effizienter
erledigt werden können. Quantensysteme können
zahlreiche Zustände gleichzeitig annehmen.
Daher können solche Aufgabenstellungen mit
einer wesentlich geringeren Rechenzeit bewerkstelligt
werden als mit traditionellen Computern.
Das mag dann auch für weitere mathematische
oder physikalische Problemstellungen mit großen
Datenmengen anwendbar sein.
Quantentheorie und
Quantencomputing
Anwendung der Wissenschaft der Möglichkeiten:
Die Quantentheorie ist nicht nur
die Physik im Kleinen; sie ist auch die Physik
der Möglichkeiten und der Beziehungen.
Sie zeigt beispielsweise, dass Möglichkeiten
bereits in der unbelebten Natur reale Wirkungen
erzeugen.
Ein Quantenzustand umfasst gleichzeitig
eine Fülle von Möglichkeiten, die alle
mit diesem Zustand verträglich sind. Dieses
Spektrum von Zuständen, die gleichzeitig
existent und gleichzeitig gehandhabt
werden, ist der Grund für die große und
schnelle Rechenleistung von Quantensystemen
und damit die Basis für Berechnungen
im Quantencomputing.
Eine weitere Tatsache der Quantenphysik
ist die Superposition oder die Überlagerung
von Quantenzuständen, die selbst
wieder zu Quantenzuständen werden. Ein
Quantenprozessor nutzt damit den Vorteil,
dass neben einem vorhandenen Quantenzustand
gleichzeitig auch alle anderen damit
verträglichen Quantenzustände erfasst sind.
Computing und Quanten computing
gehören zusammen
Häufig wird allein vom Quantencomputer
gesprochen - ohne zu erwähnen, dass Quantencomputing
nicht ohne traditionelle Rechner auskommt.
Auch wenn der Quantenprozessor das
gesuchte Ergebnis schneller liefert, als jedes
konventionelle Rechenzentrum: Um ihn ansteuern
und seine Ergebnisse auswerten und weiterverarbeiten
zu können, benötigt man traditionelle
Rechnereinheiten. Daher werden die
beiden Rechner- oder Prozessorarten in Symbiose
miteinander leben (müssen).
Computing
Bevor Missverständnisse entstehen: Unter
„Computing“ im klassischen Sinne versteht man
eine Informationsverarbeitung, die auf einer
logischen Abfolge von Entscheidungen beruht,
welche nach einem fest definierten Algorithmus
Bild 3: Der Mikroprozessor Intel i486DX2 von 1992
enthält rund 1,2 Millionen Transistoren. Heute
rechnet man eher in Milliarden Transistoren pro
Chip. © Pauli Rautakorpi
PC & Industrie 8/2024 21