Die Grundlagen: Wie Quantencomputer funktionieren und wohin sich die Technologie entwickelt

Die theoretischen Grundlagen des Quantencomputings entstanden im Laufe des 20. Jahrhunderts, darunter die Quantenhypothese von Planck (1900), das Unschärfeprinzip (1927) und die Bellsche Ungleichung (1964). Praktische Anwendungen tauchten erstmals in den 1980er Jahren auf, als Richard Feynman vorschlug, Quantensysteme zur Simulation anderer Quantensysteme zu verwenden, eine Aufgabe, die für klassische Computer unmöglich war. Diese Idee gab den Anstoß zur Entwicklung von Quantenalgorithmen wie dem Shor-Algorithmus (1994), der zeigte, dass Quantencomputer große Zahlen effizient faktorisieren können, und dem Grover-Algorithmus (1996), der auch als Quanten-Suchalgorithmus bekannt ist. Daneben markierte die Entwicklung von Quanten-Fehlerkorrekturcodes durch Peter Shor und seine Kollegen einen bedeutenden Fortschritt bei der Realisierbarkeit des Quantencomputings. Seit dem Jahr 2000 hat ein intensiver Wettlauf um den Bau praktischer Quantencomputer begonnen, wobei Technologiegiganten und Start-ups Fortschritte in Richtung Quantenüberlegenheit verkünden. Ähnlich wie bei der Kapazität integrierter Schaltkreise könnten wir ein exponentielles Wachstum der Quantencomputerkapazität erleben (z. B. eine Verdopplung der Anzahl der Qubits auf Chips etwa alle 18 Monate gemäß Roses Gesetz).

Quantencomputer vs. klassische Computer

Quantencomputer und klassische Computer funktionieren nach grundlegend unterschiedlichen Prinzipien. Klassische Computer verarbeiten Informationen mithilfe von Transistoren (oder anderen digitalen Schaltkreisen), die Daten in binären Bits speichern. Diese Bits können nur einen von zwei Zuständen annehmen, entweder 0 oder 1, was der Abwesenheit oder Anwesenheit von Spannung am Transistorgate entspricht. Dieses binäre Zustandsystem ist einfach und robust und stellt sicher, dass bei der Messung des Zustands eines Transistors eindeutig entweder eine 0 oder eine 1 angezeigt wird.

Im Gegensatz dazu verwenden Quantencomputer Quantenbits – sogenannte Qubits –, die mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit gleichzeitig in beiden Zuständen (bezeichnet als |0⟩ und |1⟩) vorliegen können. Qubits können binär arbeiten, da sie auf 0 oder 1 gesetzt werden können. Aufgrund ihrer quantenmechanischen Eigenschaften können Qubits jedoch noch viel mehr. Sie können in einem Superpositionszustand existieren, in dem sie gleichzeitig Aspekte von 0 und 1 verkörpern. Dieses Phänomen wird in der Bloch-Kugel dargestellt, wo ein Qubit im Gegensatz zu einem klassischen Bit, das sich nur am Nord- oder Südpol (entsprechend 0 oder 1) befinden kann, überall auf der Oberfläche der Kugel sein kann, einschließlich der Pole:

In einer anderen Analogie lassen sich klassische Bits mit einem Daumen-hoch- oder Daumen-runter-System vergleichen, bei dem ein nach oben zeigender Daumen eine 1 und ein nach unten zeigender Daumen eine 0 darstellt. Ein Qubit hingegen ermöglicht es, dass der Daumen einen Wert darstellt, auch wenn er nicht vollständig nach oben oder unten zeigt. So kann ein Daumen, der in einem Winkel |ψ> positioniert ist, der den Qubit-Zustand darstellt, z. B. ein Winkel von 90 Grad oder 35 Grad (in alle Richtungen), ebenfalls Informationen codieren. Ein horizontal positionierter Daumen steht gleichzeitig für |0⟩ und |1⟩.

Dieses Paradigma ermöglicht es dem Qubit, mehrere Zustände gleichzeitig darzustellen, was zu probabilistischen Messergebnissen führt, bei denen die Wahrscheinlichkeit, eine 0 oder eine 1 zu messen, je nach Zustand des Qubits variieren kann.

Was ist der Vorteil?

Die Fähigkeit, gleichzeitig in mehreren Zuständen zu existieren, ermöglicht es Quantencomputern, Informationen auf eine Weise zu kodieren und zu verarbeiten, die klassische Computer nicht leisten können. Während beispielsweise ein klassischer Computer mit drei Bits jeweils nur einen von acht möglichen Zuständen darstellen kann, kann ein Quantencomputer alle acht möglichen Zustände gleichzeitig in einem Superpositionszustand darstellen. Dieses Konzept (d. h. Quantenparallelismus) ermöglicht es Quantencomputern zusammen mit Quanteninterferenz (d. h. der Wechselwirkung zwischen den Zuständen innerhalb einer Überlagerung), bestimmte Berechnungen viel schneller und mit weniger Hardware als klassische Computer durchzuführen. Dieser deutliche Unterschied in der Datenverarbeitung zeichnet Quantencomputer aus und hat erhebliche Auswirkungen auf die Art von Aufgaben und Berechnungen, die sie effizient ausführen können.

Darüber hinaus profitieren Quantencomputer von einem weiteren wichtigen Konzept, der „Quantenverschränkung“. Durch die Verschränkung im Quantencomputing können Qubits miteinander verbunden werden, wodurch sie Informationen auf eine Weise verarbeiten und speichern können, die die Fähigkeiten klassischer Computer übertrifft. Quantenverschränkung tritt auf, wenn eine Gruppe von Qubits (als „verschränkte Qubits“ bezeichnet) einen Quantenzustand teilen, sodass ihre Eigenschaften miteinander korrelieren. Angenommen, es gibt zwei verschränkte Qubits. Wenn ein Quantencomputer eine Eigenschaft eines Qubits (z. B. Spin, Position oder Polarisation) misst oder verändert, verändert sich dadurch sofort auch eine Eigenschaft des anderen Qubits, da ihre Eigenschaften und Zustände miteinander korreliert oder verschränkt sind. Quantencomputer können diese sofortige Korrelation nutzen, um ihre Rechenleistung zu verbessern. Diese Vernetzung erleichtert beispielsweise die Parallelität, sodass Quantencomputer komplexe Probleme effizienter lösen können, indem sie mehrere Berechnungen gleichzeitig durchführen. Darüber hinaus verbessert die Verschränkung die Präzision von Quantenalgorithmen und trägt so zu einer schnelleren und genaueren Problemlösung in Bereichen wie Kryptografie, Optimierung und Materialwissenschaften bei.

Beispiel

Um zu veranschaulichen, wie Verschränkung die Rechenleistung verbessern kann, betrachten Sie das folgende Beispiel:

In einem klassischen Computer kann eine Verdopplung der Bitanzahl lediglich zu einer Verdopplung der Rechenleistung führen. Das heißt, die Rechenleistung wächst linear zur Anzahl der Bits. In der Quanteninformatik ist dieses Verhältnis jedoch exponentiell. Daher führt das Hinzufügen eines zusätzlichen Qubits zu einem 60-Qubit-Computer dazu, dass der Quantencomputer 260 Qubit-Zustände gleichzeitig auswerten kann.

Genauso wie klassische Gatter Bits gemäß der Booleschen Logik auf genau definierte Weise manipulieren, wirken Quantengatter auf Qubits ein und ermöglichen so die Ausführung von Quantenalgorithmen. Daher sind Quantengatter analog zu den grundlegenden Bausteinen des Quantencomputings und können als Quantenversion der „Logikgatter” des klassischen Computings betrachtet werden. Im Gegensatz zu Logikgattern ermöglichen Quantengatter komplexere und differenziertere Operationen. Während klassische Gatter deterministische Transformationen auf ihre Eingaben anwenden, führen Quantengatter Operationen wie Verschränkung und Superposition ein und verbessern so das Rechenpotenzial durch nicht-klassische Verhaltensweisen.

Quantengatter können in Quantenalgorithmen verwendet werden, um komplexe Berechnungen mit Qubits zu koordinieren und durchzuführen. Das Verständnis der Funktionsweise eines Quantenalgorithmus bietet einen faszinierenden Einblick in die Leistungsfähigkeit des Quantencomputings. Zu Beginn besteht die Eingabe in einen Quantencomputer in der Regel aus einem massiven Superpositionszustand, was bedeutet, dass das System gleichzeitig mehrere potenzielle Ergebnisse darstellt. Aufgrund der Eigenschaft der Quantenparallelität können dann verschiedene Quantengatter gleichzeitig mit all diesen potenziellen Zuständen interagieren. Diese simultane Operation wird durch Quanteninterferenz ergänzt, die die Koeffizienten dieser Zustände anpasst und so den Berechnungsprozess weiter formt.

Was kommt als Nächstes?

Die Quantencomputertechnologie steht kurz vor einem entscheidenden Moment, in dem sie den Sprung aus den Forschungslabors in den öffentlichen Gebrauch schaffen könnte. Bislang wurden rasante Fortschritte erzielt, die jedoch im Hinblick auf die öffentliche Nutzung noch relativ gering sind. Einige wenige Unternehmen und Forschungseinrichtungen haben inkrementelle Quantenprozessoren entwickelt und diese in cloudbasierte Plattformen integriert, auf die Entwickler weltweit zugreifen können. Diese Zugänglichkeit ermöglicht Experimente mit Quantenalgorithmen und legt den Grundstein für zukünftige Anwendungen. Da diese Prozessoren zudem immer mehr Qubits und eine immer höhere Stabilität aufweisen und die Fehlerkorrektur verbessert wird, nähern wir uns einer Schwelle, an der Quantencomputer beginnen könnten, Bereiche wie Kryptografie, komplexe Molekülmodellierung und Optimierungsprobleme zu beeinflussen.

Obwohl Quantencomputer ein enormes Potenzial aufweisen, ist es nach wie vor schwierig, ihre Verfügbarkeit für den Massengebrauch vorherzusagen. Das Gebiet befindet sich noch in den Anfängen und hat mit erheblichen technischen Hürden zu kämpfen, wie beispielsweise der Kohärenz von Qubits, Fehlerraten und -korrekturen sowie der Skalierbarkeit des Systemdesigns. Der Zeitplan für eine breite kommerzielle Verfügbarkeit ist ungewiss, da diese grundlegenden Herausforderungen erst überwunden werden müssen, bevor es zuverlässig und kostengünstig in die Alltagstechnologie integriert werden kann. Diese Ungewissheit unterstreicht den experimentellen und evolutionären Charakter der Quantencomputertechnologie, die den Übergang von experimentellen Aufbauten zu praktischen Anwendungen für den Massenmarkt anstrebt.

In den kommenden Artikeln werden wir untersuchen, wie sich Quantencomputertechnologien iterativ weiterentwickeln und nach und nach unseren Alltag durchdringen werden.

Jenseits der binären Serie

Klicken Sie hier, um Foleys mehrteilige Artikelserie „Beyond The Binary“ zu lesen, in der verschiedene Aspekte der Quantencomputertechnologie, ihre Prinzipien und die rechtlichen Rahmenbedingungen für ihre Entwicklung und Implementierung beschrieben werden.

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