8-2024

Quantencomputing
ausgeführt werden. Ein klassischer Computer
verarbeitet die Daten durch die Steuerung von
logischen Schaltelementen (Gatter, Multiplexer,
etc.) und speichernden Elementen (Flip-Flops,
Register), die mit Transistoren aufgebaut sind.
Diese funktionieren, abstrakt gesehen, wie
Schalter, sie kennen nur ‚0‘ oder ‚1‘. Der Computer
ist ein riesiges Netzwerk von Schaltern,
die auf einen Input reagieren und als logisches
Ergebnis wieder ‚0‘ oder ‚1‘ ausgeben. So entsteht
der klassische Rechenvorgang.
Quantencomputing –
Der wesentliche Unterschied
Traditionelle Computer arbeiten lediglich mit
den Zuständen ‚0‘ oder ‚1‘. Die Kombinationen
aus diesen Zuständen erfolgen additiv. Ein
Quantenprozessor hingegen rechnet auch mit
sämtlichen „Zwischenzuständen“, erzeugt durch
Superpositionen im Qubit. Gemäß der Quantentheorie
kann die Kombination aus all diesen
Zuständen nicht nur additiv erfolgen, sondern
auch multiplikativ. Das ist der Grund dafür, dass
mit Quanten computing wesentlich komplexere
Strukturen erzeugt werden können.
Das Problem dabei: Es gibt bislang keine etablierte
Software für das Quantencomputing. Die
Fähigkeit eines Quantenprozessors, gleichzeitig
mit einer unglaublich großen Anzahl an unterschiedlichen
Zuständen zu rechnen, ist zunächst
schwer nutzbar. Einfach nur alle Zustände des
Quantencomputers auslesen, hilft da wenig.
Gesucht sind Quanten-Algorithmen, die dafür
sorgen, dass mit möglichst großer Wahrscheinlichkeit
nur der richtige Zustand übrig bleibt. Die
beiden bisher bekannten Quanten-Algorithmen
sind in den Kästen „Der Grover-Algorithmus“ und
„Der Shor-Algorithmus“ erklärt.
Quantencomputing in der Realität
Eine Berechnung im Quantencomputer (im
Zusammenspiel klassischer Rechner mit einem
Quantenprozessor) beginnt damit, dass die notwendigen
Daten mithilfe eines klassischen Computers
erhoben und aufbereitet werden, um sie
anschließend dem Quantenprozessor bereitzustellen.
Gemäß einem bestimmten Algorithmus
(siehe Kästen) werden die Daten im Quantenprozessor
verändert. Dazu sind vorgegebene
und in ihrer Reihenfolge festgelegte Eingriffe
von außen erforderlich, die beispielsweise durch
genau bestimmte Laserstrahlen erfolgen. Gesteuert
wird der Laser wiederum durch klassische
Computer. Am Ende des Rechenvorgangs im
Quantenprozessor bestimmt der klassische Computer
aus der Fülle der Quantenmöglichkeiten
das Ergebnis, meist durch Berücksichtigung der
Häufigkeit und Wahrscheinlichkeit. Anschließend
wird das Ergebnis dann mit klassischen Methoden
weiter aufbereitet oder verarbeitet.
Die Ergebnisqualität all dieser Schritte hängt
von der „Hardware des Quantenprozessors“
ab, also von dem quantischen Versuchsaufbau,
welcher mit der Polarisation von Photonen, den
Der Grover-Algorithmus
Bei der sprichwörtlichen Suche nach der
Stecknadel im Heu haufen kann der Algorithmus
von Lov Grover helfen. Er unterstützt
die Suche nach einem bestimmten
Wert in einer unsortierten Datenbank. Veröffentlicht
wurde der Algorithmus 1996 - und
er kann für sich in Anspruch nehmen, bisher
der einzige Algorithmus* zu sein, bei
dem bewiesen ist, dass Quantenprozessoren
prinzipiell schneller sind als traditionelle
Computer.
Dabei ist der Grover-Algorithmus ein
sogenannter “probabilistischer” Algorithmus.
Das heißt: Er liefert mit einer hohen
Wahrscheinlichkeit richtige Ergebnisse -
und zudem kann die Wahrscheinlichkeit
einer fehlerhaften Antwort durch wiederholte
Ausführung des Algorithmus verringert
werden.
*Für Profis: Mit dem Shor-Algorithmus
(siehe Kasten) ist ein polynomiell schneller
probabilistischer Faktorisierungsalgorithmus
für Quantencomputer bekannt, während
kein bekannter klassischer Faktorisierungsalgorithmus
polynomielle Laufzeit hat.
Allerdings gibt es bisher keinen mathematischen
Beweis, dass nicht doch ein solcher
Algorithmus existiert.
Interferenzen von Molekülen oder den Energieniveaus
von Ionen oder ähnlichem arbeitet.
Ausblick
Quantencomputer sind mit ihrer Leistung und
parallelen Berechnungsweise in der Lage, riesige
Datenmengen besonders schnell und effizient
zu bearbeiten. Deshalb werden in folgenden
Bereichen große Verbesserungen durch den
Einsatz der Technologie erwartet:
• Optimieren von Logistik- und Transportprozessen
in Echtzeit
• Entwicklung von Medikamenten
und Impfstoffen durch Nachbildung
von Molekülen
• Simulation und Entwicklung neuer
Materialien mit spezifischen Eigenschaften
und verlässlichen Vorhersagen
• Wettervorhersage unter Einbeziehen
unterschiedlichster Faktoren
• Auswerten riesiger Datenmengen mittels
Künstlicher Intelligenz
Damit bietet Quantencomputing ein enormes
Potential, das heutige (Super-)Computer nicht
erreichen.
Nachsatz
Um das komplexe Thema verständlich zu
halten, haben wir einige Dinge als bekannt
Der Shor-Algorithmus
Dieser bereits 1994 von Peter Shor veröffentlichte
Algorithmus, damals Mitarbeiter
der AT&T Bell Laboratories, ist der mathematischen
Zahlentheorie zuzuordnen. Er
berechnet einen nichttrivialen Teiler einer
zusammengesetzten Zahl und zählt somit
zur Klasse der Faktorisierungsverfahren.
Praktisch ist der Shor-Algorithmus (noch)
nicht anwendbar, da Stand 2020 (neuere
Informationen sind öffentlich nicht verfügbar)
keine hinreichend großen und fehlerarmen
Quantencomputer zur Verfügung
stehen. Eine Forschungsgruppe des USamerikanischen
Unternehmens IBM hatte
vor mehr als 20 Jahren einen Quantenprozessor
mit sieben Qubits eingesetzt, um die
Zahl 15 mit Hilfe des Shor-Algorithmus in
die Faktoren 5 und 3 zu zerlegen.
vorausgesetzt, etwa Quanteneffekte, oder wie
Quanten prozessoren eigentlich funktionieren.
Diese Themen haben wir in eigenen Fachartikel
dargestellt, welche unter www.robologs.com/
quantenrechner abrufbar sind.
Literatur
[1] Thomas Görnitz (2022), Quantentheorie
verstehen, Grundlegende Vorstellungen und
Begriffe, Carl Hanser Verlag, 2022
[2] https://www.infineon.com/cms/de/discoveries/quantum-computing/
Tom Weber (li) und Günter Kornmann (re)
im Gespräch
Wer schreibt:
Günter Kornmann ist Diplom-Mathematiker.
Seine berufliche Heimat ist die Chipentwicklung.
Über Stationen bei Siemens und Infineon war
er einer der Innovationsmanager bei Intel. Seit
einigen Jahren unterstützt er mittelständische
Unternehmen bei der Umsetzung des Innovationsmanagements.
Tom Weber ist Dipl.-Ing. der Nachrichtentechnik.
Er arbeitet seit 35 Jahren im Technischen Marketing
und führt seit bald 10 Jahren die einzige
europäische Beratungsgesellschaft für technostrategische
Unternehmensentwicklung. ◄
22 PC & Industrie 8/2024