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Was sind Quantencomputer?

| Autor / Redakteur: Thomas Joos / Lisa Marie Waschbusch

Die Entwicklung von Quantencomputern schreitet voran.
Die Entwicklung von Quantencomputern schreitet voran. (Bild: Pixabay / CC0)

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Herkömmliche Computersysteme sind bereits an der Grenze des technisch Machbaren. Aus diesem Grund rücken Quantencomputer immer mehr in den Fokus, da hier eine exponentielle Steigerung der Leistung erwartet wird. Unser Beitrag erklärt, was Quantencomputer sind, wie sie funktionieren und welche Risiken bestehen.

Quantencomputer sind extrem schnelle Recheneinheiten, die vor allem bei speziellen Problemen Lösungen errechnen können. Galten sie lange in erster Linie als theoretisches Konzept, geht die tatsächliche Entwicklung mittlerweile rasant voran. Dabei sollen sich Quantencomputer in vielen Aspekten von herkömmlichen Rechnern abheben. Denn sie basieren nicht auf klassischen physikalischen oder informationstechnischen Gesetzen, sondern bestehen auf Basis quantenmechanischer Zustände.

Betrachtet man die Funktionsweise von Quantencomputern, so stellen sich auch hier einige Unterschiede zu herkömmlichen Computern heraus. Diese arbeiten im klassischen Binärsystem und somit mit Bits. Hierbei werden Informationen in Form von Bits gespeichert, die genau zwei Zustände einnehmen können – und zwar die Zustände „0“ und „1“. Das bedeutet, dass im Binärsystem also immer nur eindeutige Zustände eingenommen werden können. Das bremst die Möglichkeiten aus, die herkömmliche Computer bieten, denn hier lassen sich zum Beispiel Vorgänge auf Basis von Molekülen und Atomen kaum zuverlässig berechnen. Quantencomputer hingegen sollen dazu aber in der Lage sein. So arbeiten diese nicht im herkömmlichen Binärsystem mit Bits, sondern mit sogenannten Quantenbits (Qubits). Dabei handelt es sich im Prinzip um das Pendant von herkömmlichen Bits in Computern.

So arbeiten Qubits in Quantencomputern

Innerhalb einer bestimmten Zeit, der Koheränzzeit, können Qubits zwischen dem Zustand „0“ und „1“ eine oder mehrere Zwischenstufe(n) einnehmen – und das teilweise gleichzeitig. Diese Fähigkeit, die dazu führt, dass Quantencomputer extrem schnell Berechnungen durchführen können, wird als Superposition bezeichnet. Erst wenn der Zustand eines Qubits gemessen wird, nimmt es einen festen Zustand an und geht in einen der beiden klar definierten über. Dann kann es als klassisches Bit abgespeichert werden. Dieser Verlust der Superposition wird in der Fachsprache als Dekohärenz bezeichnet.

Qubits werden derzeit auf Basis verschiedener Technologien erzeugt. In vielen Fällen nutzen Forscher Ionen, die mit Lasern bearbeitet werden. Der Laser kann das Ion in einen angeregten, nicht angeregten und einen Zwischenzustand versetzen. Der Zwischenzustand dient als Superposition. Für die Funktion eines Quantencomputers spielt es eine wichtige Rolle, dass die Qubits leicht zu verändern sind, aber nicht von Stören beeinträchtigt werden können.

Qubits und Register

Um Berechnungen durchzuführen benötigen Quantencomputer möglichst viele Qubits, die zu einem Register zusammengefasst werden. Durch die Zusammenfassung in einem Register, können Qubits miteinander interagieren. Der Zustand wird Quantenverschränkung (Entanglement) genannt. Bei dieser Verschränkung kennen diese Qubits die Zustände der anderen Qubits. Dabei besteht die Möglichkeit, dass die Qubits weit voneinander entfernt sind – auch tausende Kilometer. Diese Verschränkung ermöglicht extrem schnelle Berechnungen, da die verschiedenen Qubits in einem engen Verhältnis zueinander stehen.

Durch die Verschränkung lassen sich verschiedene Berechnungen parallel zueinander durchführen, auch mit verschiedenen Wegen. Im Binärsystem werden in einer bestimmten Reihenfolge Bits gesetzt. Das bremst Computer schnell aus. Quantensysteme können viele Berechnungen parallel ausführen.

Je mehr Qubits zur Verfügung stehen, desto mehr Register können gebildet werden, und umso größer sind diese Register. Es ist extrem schwer Qubits in der Superposition zu behalten. Für einen gut funktionierenden Quantencomputer müssen aber extrem viele Qubits und sehr viele Register parallel unter Kontrolle gebracht werden. Das ist mit aktueller Technik schwer möglich und stellt derzeit eine der größten Herausforderungen dar.

Das sind die Gefahren von Quantencomputern

Durch die schnelleren Berechnungen von Anfragen stellen Quantencomputer aber auch eine Gefahr dar. Gängige Verschlüsselungsmethoden sind schnell hackbar und bieten daher keinen Schutz mehr, sobald Quantensysteme zum Einsatz kommen. Generell ist der Datenschutz durch den Einsatz von Quantencomputern stark gefährdet. Denn Quantencomputer können sehr viel mehr Daten effektiver berechnen, als es derzeit möglich ist. Prognosen in die Zukunft sind dadurch ebenfalls möglich und nicht vor Missbrauch geschützt.

Auch kryptografische Systeme, elektronische Währungen oder Blockchains könnten von diesen Gefahren betroffen sein. Wie insbesondere Letztere vor Quantencomputern geschützt werden kann, ist noch nicht absehbar. IOTA verwendet aktuell bereits einen Algorithmus, der für Quantencomputer ausgelegt ist, also Sicherheit bieten soll. Der Nachteil besteht in diesem Fall aber darin, dass Transaktionen sehr viel größere Speicher- und Berechnungskapazität benötigen, als bei anderen Kryptosystemen, wie zum Beispiel Bitcoin.

Da all die Gefahren unter Wissenschaftlern längst bekannt sind, gibt es schon heute entsprechende (Forschungs-)Maßnahmen, beispielsweise die sogenannte Post-Quanten-Kryptografie, ein Teilgebiet der Kryptografie, bei der selbst unter Verwendung von Quantencomputern Komponenten praktisch nicht zu entschlüsseln sein sollen.

Sinnvoller Einsatz von Quantencomputern

Universelle Quantencomputer werden derzeit von vielen Unternehmen entwickelt. Neben amerikanischen Riesen wie IBM, Intel, Microsoft und Google arbeiten auch deutsche Konzerne wie VW an den Superrechnern. Einsatzgebiete gibt es vor allem in den Bereichen IoT, Big Data, Künstliche Intelligenz oder Klimaforschung. Geht es nach einigen Wissenschaftlern können Quantencomputer insbesondere im Bereich Machine Learning starke Verbesserungen der Technologie mit sich bringen.

In der Medizin und Forschung können Quantencomputer kleinste Vorgänge berechnen, zum Beispiel für Moleküle und Atome. Auch komplexe Berechnungen von Hirnströmen und Körperfunktionen lassen sich so durchführen. Neue Medikamente können mit Quantencomputern ebenfalls schneller entwickelt werden. Quantencomputer können Forschungen und Vorgänge simulieren, für die derzeit Labortests notwendig sind. Diese dauern lange und sind teuer. Computersimulationen sind schnell abgeschlossen und wesentlich günstiger.

Zusammengefasst bedeutet das: Vor allem, wenn es um Berechnungen mit großen Datenmengen geht, also zum Beispiel Datenbanken, können Quantencomputer enorme Vorteile bieten. In Zukunft ist es realistisch, dass vor allem bei Cloud-Dienstleistern Quantencomputer zur Verfügung gestellt werden, oder zumindest Rechenkapazitäten von Quantencomputern. Denn hier können Kunden davon profitieren, ohne eigene Hardware einsetzen zu müssen. Ob Quantencomputer eines Tages PCs mit herkömmlichem Binärsystem ersetzen, ist schwer vorherzusagen, aber durchaus wahrscheinlich. Wer aber bereits heute schon ausprobieren möchte, wie ein Quantencomputer funktioniert, dem bietet beispielsweise IBM ein entsprechendes Online-Tool.

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