Zusammenfassung der spezifischen Probleme des Quantencomputers

Das Verständnis eines Quantencomputers in seiner Gesamtheit ist eine Herausforderung, da seine innersten Prozesse auf der Ebene von Teilchen ablaufen. Die Berechnungen basieren darauf, dass beispielsweise Mikrowellen auf sogenannte Qubits (Quantenbits) einwirken, um deren Zustand zu ändern. Diese Mikrowellen müssen gemeinsam mit den Qubits bei Tieftemperaturen arbeiten, um ihre Wirkung zu entfalten, und sie müssen vor externen Störungen geschützt sein. Die Prozesse sind äußerst empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen, da diese die Qubits beeinträchtigen könnten. Es ist auch sehr anspruchsvoll, die Qubits im Zustand der sogenannten Superposition zu halten. Mit jedem neuen Qubit steigt zwar die Rechenleistung, aber auch die Fehlerquote nimmt zu: Der Zustand der Superposition wird immer fehleranfälliger. Dies ist eines der aktuellen Probleme bei der technischen Umsetzung.

Digital-Bit versus Qubit

Ein herkömmlicher digitaler Computer arbeitet mit Bits und führt Berechnungen mit diesen Bits durch. Ein Bit ist die kleinste Informationseinheit in der digitalen Datenübertragung und 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.

Im Gegensatz dazu verwendet ein Quantencomputer Quantenbits als kleinste Recheneinheit, kurz Qubits, die auf den Prinzipien der Quantenmechanik basieren. Qubits können in einem Superpositionszustand existieren, was bedeutet, dass sie gleichzeitig den Wert 0 und 1 haben können. Erst bei der Messung legt sich das Qubit für einen konkreten Zustand fest. Die Rechenleistung eines Quantencomputers steigt theoretisch exponentiell mit der Anzahl der Qubits. Bereits mit wenigen Qubits erzielen Quantencomputer große Rechenleistungen, was es ihnen ermöglicht, bestimmte Berechnungen schneller durchzuführen als herkömmliche digitale Rechner.

Als bildliche Vorstellung kann man sich vorstellen, dass ein Digital-Bit wie ein Schalter ist, der entweder eingeschaltet (1) oder ausgeschaltet (0) sein kann. Ein Qubit dagegen könnte man sich als Zustand auf einer Kugeloberfläche vorstellen, wobei der Nordpol den Zustand Eins und der Südpol den Wert Null repräsentiert. Das Qubit in einem Superpositionszustand könnte sich auf jedem beliebigen Punkt der Kugeloberfläche befinden, bis es gemessen wird und sich für einen bestimmten Zustand entscheidet. Heutige Realisierungen von Qubits nutzen beispielsweise supraleitende metallische Leiter, die nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden, um in den Zustand der Superposition zu gelangen. Diese Qubits lassen sich durch Mikrowellen-Impulse programmieren. Es gibt jedoch auch andere komplexe Verfahren, um Qubits zu realisieren.

Ein Quantengatter ohne festen Körper

Neben der “Verschränkung” spielen bei Quantencomputern auch Quantengatter eine entscheidende Rolle. Während klassische Computer Logik-Gatter verwenden, die durch diskrete Bauelemente wie Transistoren realisiert sind und elementare Bit-Operationen durchführen, funktioniert die Berechnung in einem Quantencomputer grundlegend anders. Es gibt keine konkreten “Bausteine” wie bei klassischen Rechnern. Stattdessen basiert die Berechnung auf den Gesetzen der Wahrscheinlichkeitstheorie.

Im Quantencomputer existiert eine Art Gatter-Architektur, bekannt als Quanten-Gatter. Diese dienen dazu, die Basiseinheiten der Quantenrechnerei, die Qubits, gezielt in den gewünschten Zustand zu versetzen und sie somit rechenfähig zu machen. Quantengatter sind jedoch keine physischen Bausteine, sondern vielmehr eine Art “physikalische Einflussnahme” auf ein oder mehrere Qubits. Beispielsweise kann der “Anregungszustand” eines Atoms durch Laserpulse manipuliert oder der Spin eines Elektrons durch Magnetfelder beeinflusst werden. Ein Quantengatter ist somit eine Aktion, die im zeitlichen Verlauf auf ein Quanten-Register angewendet wird, um einen Quantenalgorithmus auszuführen.

Der Wettlauf um den leistungsstärksten Quantencomputer

Es erinnert an das historische Rennen um die erste Mondlandung. Das Wettrennen um den ersten “ausgereiften” Quantencomputer ist längst in vollem Gange. Zahlreiche Unternehmen schließen sich mit verschiedenen Forschungsinstituten zusammen, um der Konkurrenz einen Schritt voraus zu sein. Vor allem große Tech-Giganten wie Google, die NASA und Non-Profit-Organisationen sind aktiv beteiligt. Gemeinsam streben sie danach, neue Vorhersagemodelle im Bereich Künstliche Intelligenz zu entwickeln. Es klingt beinahe utopisch: Das von Google entwickelte System Sycamore mit 53 Qubits soll eine Aufgabe in nur etwa 200 Sekunden gelöst haben, während einer der leistungsstärksten aktuellen Supercomputer dafür etwa 10.000 Jahre benötigen würde.

Auch IBM ist äußerst engagiert: Mit dem Netzwerk IBM Q plant das Unternehmen, universelle Quantencomputer für den Einsatz in Wirtschaft und Wissenschaft zu entwickeln. IBM Q kooperiert mit vielen renommierten Universitäten und Konzernen, darunter die Fraunhofer-Gesellschaft. Microsoft betrachtet sich ebenfalls als Vorreiter auf dem Gebiet der Quantencomputer und hat zahlreiche QC-Teams auf der ganzen Welt.

Der größte Geheimdienst der USA, die NSA, forscht bereits seit einiger Zeit intensiv an Quantencomputern. Ihr Ziel ist es, als erster Nachrichtendienst herkömmliche Verschlüsselungsmethoden zu knacken.

Wer baut den schnellsten

Der chinesische Quantencomputer Jiuzhang wird behauptet, zehn Milliarden Mal schneller zu sein als der von Google entwickelte Quantencomputer, der angeblich die sogenannte Quantenüberlegenheit erstmals erreicht hat. Allerdings handelt es sich dabei lediglich um eine spezifische Berechnung: das sogenannte “Gaußsche Boson-Sampling”. Für andere Anwendungen ist dieser chinesische Quantencomputer derzeit nicht verwendbar und daher nicht universell einsetzbar.

Dies könnte sogar Dr. Faust zum Resignieren bringen. Doch betrachten Sie nur, mit welchen Problemen sich die Menschen heutzutage befassen. Es scheint fast grotesk, wie sie versuchen, ihre selbst geschaffenen Schwierigkeiten mithilfe der kleinsten Bausteine des Universums zu lösen. Oft reicht es aus, einfach im Einklang mit der Natur zu leben – doch dies scheint unserer verwirrten Gesellschaft nicht auszureichen. Stattdessen stolpert man von einem Problem zum nächsten und schafft sich ständig neue Herausforderungen. Aber das schlimmste aller Probleme auf diesem Planeten ist der Mensch selbst – er ist es, der letztendlich sein eigenes Ende herbeiführt.

Wohin führt die Reise der Quantencomputer?

Erst wenn bestimmte mathematische Verfahren es ermöglichen, Fehler in der Struktur der Quantencomputer zu identifizieren und zu beheben, können sie widerstandsfähiger gegenüber Temperaturschwankungen werden. Eine alternative Qubit-Technologie, die auch bei höheren Temperaturen stabil ist, könnte zu weniger anspruchsvollen Kühlungsanforderungen führen.

Doch zunächst zur gegenwärtigen Situation. Dank der Superposition können Qubits parallele Berechnungen ausführen, was herkömmlichen Digitalcomputern nicht möglich ist. Dies ermöglicht schnellere Berechnungen und eine schnellere Suche in großen Datensätzen. Auch künstliche Intelligenzen, die große Datenmengen analysieren sollen, würden davon profitieren.

Noch ist ein Quantencomputer mit all seiner Technologie zu groß, um auf Ihrem Schreibtisch Platz zu finden. Ähnlich wie die ersten Digitalrechner würde er einen ganzen Raum benötigen. Darüber hinaus verfügen Quantencomputer über spezifische Rechenleistungen und sind in der Lage, komplexe Probleme wie die Faktorisierung großer Zahlen oder die Optimierung komplexer Systeme zu lösen. Sie werden als Hoffnungsträger in Industrie und Forschung angesehen. Quantencomputer bieten zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, unter anderem in Logistik und Verkehr, Energie, Chemie, Bionik sowie in den Bereichen künstliche Intelligenz, Epidemiologie, Medizin und Pharmazie oder Kybernetik.

Im Bereich der künstlichen Intelligenz könnten Quantencomputer neue Maßstäbe setzen. Es wird sogar behauptet, dass sie in einigen Jahren zur Modellierung neuer Moleküle, beispielsweise für die Arzneimittelentwicklung, eingesetzt werden könnten. Insgesamt birgt die Quantentechnologie ein enormes Potenzial, das möglicherweise eine neue industrielle Revolution maßgeblich prägen wird.

Kommentar:

Im Laufe der Menschheitsgeschichte wurden die meisten bahnbrechenden Entwicklungen der Menschen als Fortschritte für die Menschen verkauft.

Somit sollten Sie zur Unterstützung der diversen Vorhaben manipuliert werden.

Leider müssen wir uns mitterweile fragen ob die durchaus brauchbaren Entwicklungen der Wissenschaft den Menschen wirklich immer einen Fortschritt bringen.

Wir fragen uns immer öfter ob eine “Erleichterung” Eine “Vereinfachung” oder eine “Automatisierung” wirklich ein Fortschritt ist.

Schließlich muss man sich irgendwann die Frage stellen, wie wir Fortschritt heute definieren sollen.

Das sollte die entscheidende philosophische Frage sein die die Menschen auf diesem Planeten in der nächsten Zeit beschäftigen sollte.

Denn – Ist es immer ein Fortschritt wenn Dinge einfacher werden?

Ist es immer ein Fortschritt wenn es die Menschen bequemer haben?

Ist es immer ein Fortschritt, wenn es uns als Fortschritt verkauft wird?

Und wann fangen wir an die Konsequenzen des “Fortschritts” mal in unsere Überlegungen mit einzubeziehen – also die Auswirkungen auf das physische und psychische Befinden ALLER.

Die Armisch überall auf der Welt machen es uns vor – und für Sie gab es keine “Corona-Epedemie” und selbst für die Nerds und Star-Treck Fans unter uns – erinnern wir uns mal an die “Ba’Ku im Briars Patch”