Mittwoch, 29. Mai 2024
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Der Spuk des Quantencomputers

Der Spuk des Quantencomputers

So sehen Quantencomputer heute (noch) aus… (Symbolbild:Anderweltonline)

Ist der revolutionäre Quantencomputer ein Hoffnungsträger oder eine Fehlgeburt? Noch steckt er in den Kinderschuhen der Quantenphysik, aber schon in Bälde könnte er sich zum künftigen Problemlöser unserer strauchelnden Hightech-Gesellschaft entwickeln. Der Quantencomputer wächst sich inzwischen auch zu einem Politikum aus. Schon jetzt haben die Geheimdienste (Stichwort Kryptographie, “Geheimschrift“) lange Zähne nach diesem spukhaften Rechen-Monster. Ja, er könnte sogar Hacker-Angriffe im weltweiten Netz für immer vereiteln. Dabei ist allgemein auffällig, dass sich mit fortschreitender, ausgeklügelter Technik immer neue belastende Probleme einstellen, und zwar sogar geradezu zwangsläufig.

Immer aufs Neue verblüfft uns die Hightech-Industrie mit unausgegorenen Zukunftsideen aus dem Heiligen Gral der Quantenphysik. Dazu gehören die Kernfusion, die Supraleitfähigkeit und der ominöse Quantencomputer. Kann das zu früh begackerte, unausgebrütete Rechenmonster die schnellsten herkömmlichen Digitalrechner in den Schatten stellen? Wie anders funktioniert der Quantencomputer zum Digitalcomputer? Versuchen wir, einen erklärenden Pfad durch den dichten Quanten-Dschungel zu schlagen, aber ohne uns im Unterholz der „verrückten“ Quanten-Physik zu verstricken.

Hacker-Angriffe wären aussichtslos

Es scheint, dass die Quantentechnologie der Königsweg dafür sein könnte, um das Internet und die Kommunikation im Internet endlich sicher zu machen. Quantencomputer wären kommunikationssicher, sie „teleportieren“ Informationen quasi. Dahinter steckt das für uns unbegreifliche Phänomen der „Teilchen-Verschränkung“, denn zwei sogenannte Qubits sind so miteinander gleichzeitig verbunden, dass eine Veränderung an dem einen, die gleiche Veränderung an seinem Partner-Qubit bewirkt. Dies geschieht zeitgleich über beliebige Distanz hinweg, und zwar ohne physische Verbindung durch Kabel oder Funkwellen. In der Praxis heißt das auch: Bei jedem unerlaubten Hacker-Eingriff ändert sich der Quantenzustand der Qubits. Die Kommunikationspartner würden dies wie eine Alarmglocke in ihrer Kommunikation wahrnehmen, wären gewarnt und könnten einen anderen Code-Schlüssel verwenden.

Nun aber zu den wichtigsten Elementen dieser neuen Technologie. Vorab in Kürze: Es gibt spezifische Probleme des Quantencomputers. Einen Quantencomputer komplett zu verstehen, ist müßig. Seine innersten Prozesse laufen auf Teilchenebene ab. Seine ausgeführten Berechnungen beruhen darauf, dass zum Beispiel Mikrowellen auf sogenannte Qubits (Quantenbits) einwirken, um ihren Zustand zu ändern. Eben diese Mikrowellen im Verein mit den Qubits zeigen erst bei Tieftemperatur ihre Wirkung, und sie müssen zudem gegen Störeinflüsse abgeschirmt sein. Die Prozesse sind extrem sensibel für äußere Einflüsse, da sie sonst die Qubits beeinflussen. Zudem ist es sehr aufwendig, Qubits im Zustand der sogenannten Superposition (davon weiter unten mehr) zu halten. Mit jedem neuen Qubit wächst zwar die Rechenleistung, aber damit auch die Fehlerrate: Der Zustand der sogenannten Superposition wird dann immer fehlerhafter. Das ist eines der Probleme, womit man derzeit noch bei der technischen Umsetzung zu kämpfen hat.

Der Unterschied zwischen einem Digital-Bit und einem Qubit

Ein digitaler herkömmlicher Computer arbeitet mit Bits und führt Berechnungen eben mit diesen Bits durch. Ein Bit ist also die kleinste Informationseinheit in der digitalen Datenübertragung. Es kann nur zwei Informationszustände abbilden: 1 oder 0. Da Computer nur zwei Zustände kennen und in Binärcode kommunizieren, ist das Bit die kleinste Unterscheidung, die ein Computer adressieren oder lesen kann. Ein Quantencomputer dagegen nutzt Quantenbits als kleinste Recheneinheit, kurz die Qubits; sie basieren auf den Prinzipien der Quantenmechanik. Qubits können in einem Superpositionszustand existieren; das bedeutet, dass sie gleichzeitig den Wert 0 und 1 haben können. Erst bei der Messung legt es sich für einen konkreten Zustand fest. Die Rechenleistung eines Quantencomputers steigt theoretisch exponentiell mit der Anzahl der Qubits. Quantencomputer erzielen schon mit wenigen Qubits große Rechenleistungen. Dies ermöglicht es ihnen, bestimmte Berechnungen schneller durchzuführen als herkömmliche, digitale Rechner.

Stellen Sie sich dazu als Bild eine Kugel vor, an deren Nordpol der Zustand Eins und am Südpol der Wert Null für das Digital-Bit existiert. Dagegen könnte sich ein Qubit in seinem Superpositionszustand auf jedem beliebigen Punkt der Kugeloberfläche aufhalten. Man kann heute Quantenbits zum Beispiel realisieren durch einen in der Nähe des absoluten Nullpunkts gekühlten metallischen Leiter: Er wird dadurch supraleitend und ist in der Lage, Strom ohne Widerstand gleichzeitig in zwei Richtungen zu leiten. So erreicht der Leiter den Zustand der Superposition. Programmieren lassen sich diese Qubits durch Mikrowellen-Impulse. Es gibt aber auch andere komplexe Verfahren, um Qubits zu realisieren.

Das körperlose Quantengatter

Neben der „Verschränkung“ spielt bei Quantencomputern das Mitwirken von Quantengattern eine Rolle. Klassische Computer haben Logik-Gatter, die physikalisch durch diskrete Bauelemente wie Transistoren realisiert sind. Diese Gatter führen elementare Bit-Operationen durch. Sind mehrere Gatter-Bausteine zu einem Schaltnetz verbunden, können sie komplexe Operationen wie das Addieren zweier Binärzahlen durchführen. Beim Quantencomputer gibt es dazu keine konkreten „Bausteine“. Das liegt daran, dass „Berechnungen“ auf einem Quantencomputer grundsätzlich anders funktionieren. Sie beruhen auf den Gesetzen der Wahrscheinlichkeitstheorie.

Im Quantencomputer existiert – wie in einem klassischen Rechner – eine Art Gatter-Architektur: die Quanten-Gatter. Sie dienen dazu, die Basiseinheiten der Quantenrechnerei, die Qubits, gezielt in den jeweils gewünschten Zustand zu versetzen, machen sie also rechenfähig. Das sind aber keine konkreten Bausteine, sondern eine Art „physikalischer Einflussnahme“ auf eines oder mehrere Qubits. So ließe sich beispielsweise der „Anregungszustand“ eines Atoms durch Laserpulse manipulieren oder der Spin eines Elektrons durch Magnetfelder. Ein Quantengatter ist also eine im zeitlichen Verlauf auf ein Quanten-Register angewendete „Aktion“, der Quanten-Algorithmus.

Der Wettkampf um den leistungsstärksten Quantencomputer

Es erinnert aktuell so manches an das einstige Wettrennen um die erste Mondlandung: Längst ist das Ringen um den ersten „ausgereiften“ Quantencomputer eröffnet. Zahlreiche Unternehmen verbünden sich mit verschiedenen Forschungsinstituten, um der Konkurrenz schneller davonzuziehen. Vor allem große Tech-Giganten wie Google, die NASA und eine Non-Profit-Organisation sind aktiv. Gemeinsam wollen sie neue Vorhersagemodelle im Bereich Künstliche Intelligenz entwickeln. Utopisch anmutend: Das von Google entwickelte System Sycamore mit 53 Qubit soll eine Aufgabe in rund 200 Sekunden gelöst haben, für die einer der leistungsstärksten aktuellen Supercomputer 10.000 Jahre bräuchte.

Auch IBM legt sich mächtig in die Riemen: Mit dem Netzwerk IBM Q möchte das Unternehmen universelle Quantencomputer für Wirtschaft und Wissenschaft bauen. Im IBM Q kooperiert IBM mit vielen angesehenen Universitäten und Konzernen, zum Beispiel mit der Fraunhofer-Gesellschaft. Microsoft versteht sich ebenfalls als Wegbereiter auf dem Gebiet der Quantencomputer und unterhält zahlreiche QC-Teams rund um den Globus. Auch der größte Geheimdienst der USA, die NSA, forscht schon seit einiger Zeit intensiv an Quantencomputern. Ihr Ziel ist es, als erster Nachrichtendienst gängige Verschlüsselungsmethoden zu knacken.

Weltweites Buhlen um den leistungsfähigsten Quantencomputer

Der chinesische Quantencomputer Jiuzhang soll angeblich zehn Milliarden Mal so schnell sein wie der von Google vorgestellte Quantencomputer, der angeblich erstmals die sogenannte Quantenüberlegenheit erreichte. In Wirklichkeit geht es aber hier nur um eine spezifische Berechnung: um das „Gaußsche Boson-Sampling“. Für andere Methoden lässt sich dieser chinesische Quantencomputer derzeit nicht nutzen, ist also nicht universell einsetzbar. (Gönnen Sie mir hier den folgenden Einschub: Wahrlich Kopfschmerzen auslösend wäre es, das oben genannte „Gaußsche Boson-Sampling“ verstehen zu wollen. Dazu nur diese Leseprobe zur kryptisch anmutenden, fachsprachlichen Erklärung: „Das Verfahren bietet einen hocheffizienten Ansatz, um gedrückte Zustände aus der parametrischen Abwärtskonvertierung zu nutzen. Es verbessert nicht nur die Wahrscheinlichkeit der Photonen-Erzeugung im Vergleich zur Standard-Boson-Probenahme mit Einzelphoton-Fock-Zuständen signifikant, sondern…usw.“). „Hier stock ich schon, wer hilft mir weiter fort“, würde selbst Dr. Faust hier resignierend sagen.

Doch sehen Sie nur, mit welchen Problemen sich heutzutage die Menschen belasten. Es wirkt fast grotesk, wie sie versuchen, ihre selbst gemachten Schwierigkeiten durch das Mitwirken der kleinsten Grundbausteine des Universums zu lösen. Dabei genügt es oft, einfach natürlich zu leben — doch das scheint unserer verqueren Gesellschaft nicht zu genügen. So torkelt man von einem Problem zum nächsten, schafft sich aufs Neue weitere Herausforderungen. Aber das schlimmste aller Problem auf diesem Planeten ist der Mensch selbst — er ist es, der sich zuletzt abschafft.

Quo vadis Quantencomputer?

Erst wenn es bestimmte mathematische Methoden ermöglichen, Fehler in der Architektur der Quantencomputer zu erkennen und zu korrigieren, können diese robust werden gegenüber Temperaturschwankungen. Auch eine alternative Qubit-Technologie, die bei höheren Temperaturen stabil ist, könnte zu weniger anspruchsvollen Kühlungsanforderungen führen. Doch zunächst zur Gegenwart: Durch die Superposition können Qubits parallele Rechenoperationen ausführen. Das vermag der beste Digitalcomputer nicht. Es gelingt also, Berechnungen schneller durchzuführen und große Datenmengen rascher zu durchsuchen. Künstliche Intelligenzen, die riesige Datenmengen auswerten sollen, würden ebenfalls davon profitieren. Noch ist ein Quantencomputer mit all seinem Beiwerk zu „korpulent“, um als PC auf Ihrem Schreibtisch zu landen. Ähnlich wie bei den ersten Digital-Rechnern würde man dafür einen ganzen Saal benötigen. Im übrigen haben Quantencomputer andere, spezifische Rechenleistungen. Und sind in der Lage, komplexe Probleme wie das Zerlegen großer Zahlen oder die Optimierung komplexer Systeme zu lösen. Sie gelten als die Hoffnungsträger der Industrie und Forschung. Für Quantencomputer bieten sich zahlreiche Einsatzmöglichkeiten – etwa in Logistik und Verkehr, Energiewirtschaft, Chemie, Bionik, aber auch in den Bereichen Künstliche Intelligenz, Epidemiologie, Medizin und Pharmazie oder Kybernetik.

Im Bereich der Künstlichen Intelligenz können Quantencomputer neue Meilensteine setzen. Man behauptet sogar, dass sie sich in einigen Jahren zur Modellierung neuer Moleküle, beispielsweise in der Arzneimittel-Entwicklung, einsetzen lassen. So gesehen, birgt die Quantentechnologie ein enormes Potenzial, das vermutlich eine neue industrielle Revolution maßgebend mitbestimmt. Zum Schluss für uns noch ein „Quäntchen“ Hoffnung. Denn, man höre und staune: Das sonst so abgewrackte Deutschland spielt in puncto Forschung zu Quantentechnologie eine bedeutende Rolle, ja es zählt hier sogar zur Weltspitze! Na, wer sagt’s denn? „Nachtigall, ick hör’ dir trapsen“, heißt es in der Parodie auf das Lied „Frau Nachtigall“ aus „Des Knaben Wunderhorn“…


Dieser Beitrag erschien zuerst bei Anderweltonline.

12 Antworten

  1. @“Aber das schlimmste aller Problem auf diesem Planeten ist der Mensch selbst“
    Und hier was für die Evolutionsleugner.

    Gen 1,27
    Gott schuf also den Menschen als sein Abbild; als Abbild Gottes schuf er ihn. Als Mann und Frau schuf er sie.

    Gen 1,28
    Gott segnete sie und Gott sprach zu ihnen: Seid fruchtbar und vermehrt euch, bevölkert die Erde, unterwerft sie euch und herrscht über die Fische des Meeres, über die Vögel des Himmels und über alle Tiere, die sich auf dem Land regen.

    „bevölkert die Erde, unterwerft sie euch „ War die schlimmste Anweisung die der Mensch je bekam. Das Ergebnis sehen wir täglich.

    7
    1
    1. Nanu, da sind Sie aber zu kurz gehüpft.
      Alle Arten der Lebewesen müssen in ihrer jeweiligen Vollkommenheit geschaffen worden sein. Henne und Hahn müssen gleichzeitig dagewesen sein inklusiv der Instruktionen, wie man Eier ausbrütet und Küken führt.
      Sie müssen den Satan in Ihr Weltbild einbauen, den Vater der Lügen und aller Ideologien.

      1. Ich will ja den Anderen auch noch einige Gedankengänge übrig lassen. Ich mag keine endlos langen Kommentare. Zu mal ich feststellen muss das hier nur bestimmte Themen bei den Kommentatoren anklang finden. Wenn es kompliziert wird dann wird es schon dünne.

  2. Ein sehr guter Artikel zu einem recht abstrakten Thema. Vielen Dank dafür. Und da kann ich nicht meine Klappe halten 

    Ein Qbit liegt nicht auf der Ebene der Quantenmechanik. Es “nutzt” Eigenschaften derselben, um auf “höherer” Ebene, der Ebene der Materie, handhabbar zu sein. Ein Qubit ist eine konzeptionelle Einheit, die auf den Prinzipien der Quantenmechanik beruht und diese nutzt, um Informationen zu verarbeiten und zu speichern. Es ist nicht selbst ein quantenmechanisches Phänomen, sondern ein Konstrukt, das aus den Eigenschaften der Quantenmechanik abgeleitet ist, um in der „richtigen“ Welt als „Quantencomputing“ nutzbar zu sein.

    Das bedeutet, ein Qubit ist eine Art der Informationsdarstellung, die speziell für Quantencomputer entwickelt wurde. Es repräsentiert Zustände, die durch quantenmechanische Phänomene wie Superposition und Verschränkung ermöglicht werden. Diese Zustände existieren auf der Ebene der Quantenmechanik, also auf der subatomaren Ebene, und das Qubit nutzt diese, um komplexe Berechnungen durchführen zu können, die über das hinausgehen, was mit klassischen Bits möglich ist. Ein Bit kann nur null oder(!) eins sein, ein Qbit kann das nicht, doch alles dazwischen. An dieser Stelle sollten wir uns vergegenwärtigen das zwischen null und eins unendlich viele Zahlen liegen.

    Qubits bieten die Möglichkeit, Prozesse durchzuführen, indem sie simultan verschiedene Zustände einnehmen und verarbeiten können (dank der Superposition) und komplexe Verknüpfungen zwischen den Daten herstellen können (dank der Verschränkung). Dadurch können Quantencomputer bestimmte Aufgaben wie Faktorisierung großer Zahlen, Suche in Datenbanken und Simulationen quantenmechanischer Systeme potenziell schneller und effizienter lösen als klassische Computer.

    Doch der, so denke ich, interessanteste Punkt ist, Qbits (in ihren Verschränkungen und Superpositionen) sind Tensoren. Zur Erklärung: die einfachste Form des Tensors ist der Vektor. Tensoren sind, das in der AI klassisch als „Neuron“ eines neuronalen Netzes bezeichnet wird.

    Es verspricht interessant zu werden.

    1. “Es verspricht interessant zu werden.”

      Interessiert war der Zauberlehrling sicherlich auch, als er die Geister rief – und sie nicht kontrollieren konnte. Auf der aubatomaren Ebene experimentiert man nicht ungestraft und dass Konsequenzen dadurch geradezu heraufbeschworen werden, ist eine Binsenweisheit. Was würde aus dem Universum, wenn komplett gestörte Milliardäre Zugriff auf solche Systeme hätten – wir sehen doch, was sie auf diesem Planeten treiben.?

  3. Die vollständige Erforschung der Quantenphysik, Nanotechnologie sowie Gentechnik wird uns in ein neues Zeitalter katapultieren, wie einst das Rad, die Dampfmaschine, der Buchdruck, die Funkübertragung, der Computer und die Raumfahrt.

    Die Protonen und Neutronen eines Atomkerns bestehen jeweils aus positiv und negativ geladenen Quarks – hier beginnt die Welt der Quantenphysik.
    Durch Wechselwirkung mit dem Makrokosmos wird Welle zu Teilchen und unscharf zu bestimmbarer Eigenschaft.

    Wenn man sich überlegt, daß wir Menschen zum größten Teil aus Wasser bestehen und Atome, als soweit kleinster sichtbarer Baustein, aus Energie mit viel leerem Raum dazwischen, ist unsere Existenz, unsere Seele sowie unsere Denkleistung nicht einfach nur mit Evolution erklärbar.

    Vor allem in Bezug auf die Verbindung verschränkter Photonen sowie Elektronen unabhängig von der Distanz. Im “Kern” 😉 ist alles Energie…sie geht nicht verloren, sondern ändert nur ihre Form. Im Universum ist in der Quantenwelt somit alles eins…

    1. “Durch Wechselwirkung mit dem Makrokosmos wird Welle zu Teilchen und unscharf zu bestimmbarer Eigenschaft.”

      Und bis heute ist nicht erklärt was dem zu Grunde liegt.
      Warum sich ein Zustand ändert weil gemessen wird.
      Es gibt da Experimente (also Weiterführungen des Doppelspaltexperiments) die versuchen dem auf den Grund zu gehen und versuchen das “System” auszutricksen und wo aber letztendlich noch wunderlichere Dinge passieren. Absolut verrückt.

  4. Ich habe mich mal etwas oberflächlich mit der Quantenphysik und der Möglichkeit des Einsatzes für einen Quantencomputer beschäftigt. Dabei werde ich das Gefühl nicht los das da etwas im Entstehen ist wie bei der ganzen Geschichte mit der Atomphysik. Es wird auf der einen Seite eventuell was Nützliches raus kommen aber auch was der Menschheit unermesslichen Schaden zufügen kann. Wie immer wenn man mit unermesslichen großen wie kleinen Kräften der Natur spielt. Wenn erst die Büchse der Pandora geöffnet ist, ist es zu spät.

    1. Die Gefahr dürfte hier noch größer sein.
      Denn man kann zwar alles mathematisch beschreiben aber nichts wirklich verstehen oder erklären. Egal ob Verschränkung, Superposition, Welle-Teilchen-Dualismus und sonstige Effekte.

      Schrödingers Katze zb. , beschreibt ja eine Superposition bzw.,Quantensystem. Erst wenn man nachguckt entscheidet sich ob die Katze tot oder lebendig ist. Davor ist sie beides gleichzeitig.

  5. Na wie auch immer:

    “Die” werden es wieder in erster Linie nur zum Schaden der Menschheit einsetzen/anwenden.
    Andersherum hat es die doofe Herde auch nicht anders verdient. 😐😐

    1. Es war leider schon immer so dass ein großer Teil die Herde war.. Das ist so und wird sich nie ändern.