Quantencomputer

Ein Quantencomputer bzw. Quantenrechner ist ein Computer, dessen Funktion auf den Gesetzen der Quantenmechanik beruht. Im Unterschied zum Digitalrechner arbeitet er nicht auf der Basis der Gesetze der klassischen Physik bzw. Informatik, sondern auf der Basis quantenmechanischer Zustände.

​Bei einem herkömmlichen Digital-Computer werden alle Daten und Zustände als Bits dargestellt. Ein Bit kann nur die Zustände 0 und 1 annehmen – also etwa wie ein Lichtschalter. Bei einem Quantencomputer werden die Zustände als Qubits (kurz für Quanten-Bit) gespeichert.

Das Konzept des Quantencomputers wurde bereits 1982 von dem Quantenphysiker und Nobelpreisträger Richard Feynman geprägt. Durch die Verwendung von Qubits arbeitet man beim Quantencomputer mit allgemeinen Zuständen, die in bestimmter Weise durch Überlagerung der beiden Basiszustände entstehen, wogegen beim klassischen Computer nur die Basiszustände selbst auftreten. Man spricht dabei auch “Zustandsvektoren”. Realisieren kann man solche Überlagerungszustände mit unterschiedlichen Systemen – etwa mit Ionen, die man in elektromagnetischen Fallen festhält oder mit supraleitenden Quanten-Bits.

Häufig ist zu lesen, dass Quantencomputer in der Lage seien, Berechnungen 100 Millionen Mal schneller als konventionelle Rechner durchzuführen, und so heute unlösbare Weltprobleme lösen könnten. Dabei wird häufig unterschlagen, dass diese Beschleunigung nur für eine bestimmte Klasse von Problemstellungen möglich ist, die sich sehr gut parallelisieren lassen. Da Quantencomputer zudem bislang nicht kommerziell verfügbar sind, sondern nur im Labormaßstab untersucht werden, ist zudem nicht klar, inwieweit sich das Konzept in der Praxis überhaupt bewährt.

Zudem kann ein Quantencomputer nur Aufgaben lösen, die prinzipiell auch von konventionellen Rechnern gelöst werden können. Bislang nicht berechenbare Problemstellungen lassen sich auch von Quantencomputern nicht lösen, es können höchstens mehr und schnellere Simulationen erfolgen, um sich einer Problemlösung zu nähern.

Beide Faktoren, zusammen mit der Tatsache, dass für Quantencomputer ganz neue Programmiertechniken und Algorithmen benötigt werden, die sehr häufig nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit ein korrektes Ergebnis liefern, führen zu einem weiteren Problem: Wie zuverlässig sind die von einem Quantencomputer gelieferten Resultate? Da die interne Darstellung auf Qubits, Quantenverschränkung und Superposition beruhen – Konzepten aus der Quantenmechanik – und der jeweilige Zustand als Zustandsvektor durch Überlagerung von Basiszuständen repräsentiert wird, ist es nicht trivial festzustellen, ob ein Quantencomputer überhaupt korrekt und fehlerfrei arbeitet.

Die bislang gefundenen Algorithmen, bei denen ein Quantencomputer seine Vorteile ausspielen kann, lassen sich in die drei Bereiche Simulationen, Suchalgorithmen und Quanten-Fouriertransformation unterteilen, die vor allem bei Kryptoverfahren Vorteile bietet – aber auch die heute gängigen Verschlüsselungssysteme obsolet machen könnte.

Zahlreiche namhafte Unternehmen, darunter IBM, Google, Facebook, die NSA, aber auch viele Universitätsinstitute arbeiten praktisch und theoretisch an der Erforschung von Quantencomputern, darunter auch das Team um Prof. Dr. Schmiedmayer am Atominstitut der TU Wien.

Forscher erhoffen sich von Quantencomputern Vorteile unter anderem in folgenden Bereichen:

• Big Data: Zusammenhänge und Muster in großen Datenbeständen können durch massive Parallelisierung schneller entdeckt werden, zumal es sich in der Regel um die Erkennung von Ähnlichkeiten handelt, also die Wahrscheinlichkeiten, mit denen Quantencomputer-Algorithmen arbeiten, hier Vorteile bieten.
• Transport und Verkehrssteuerung: Autonome Fahrzeuge sind ein riesiges Forschungsgebiet. Aber in Zukunft werden die autonomen Fahrzeuge auch untereinander und mit der Umgebung kommunizieren müssen, um beispielsweise Unfälle und Staus zu vermeiden oder eine intelligente Routenplanung in Echtzeit vorzunehmen. Die benötigten Rechenkapazitäten sind enorm, Quantencomputer könnten hier helfen. Auch Logistikprozesse könnten hiervon profitieren.
• Gesundheitsbereich: Von der Simulation von Medikamenten, Heilungsverläufen und der Ausbreitung von Epidemien bis hin zur persönlichen und individuellen Gesundheitsvorsorge und Krankheitsdiagnose reichen die möglichen Einsatzgebiete.
• Telekommunikation: Ein häufig genanntes Einsatzgebiet des Quantencomputings ist die sichere Verschlüsselung von Kommunikation, andererseits aber auch das Brechen bestehender Verschlüsselungsverfahren.
• Finanzbereich: Ein Bereich, in dem Quantencomputer sich quasi selbst bezahlt machen könnten, ist die Beobachtung, Analyse und Vorhersage von minimalen Preisschwankungen auf den internationalen Märkten. Schon jetzt ist das High-Frequency-Trading ein wichtiges Instrument im Finanzbereich und verschafft manchen Wettbewerbsteilnehmern erhebliche Vorteile. Quantencomputer könnten diese Entwicklung dramatisch anheizen und zudem die Risikoanalyse im Finanzsektor auf eine neue Ebene heben.

Bis die Technologie kommerziell verfügbar und nutzbringend ist, wird allerdings noch einige Zeit vergehen.