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Erklärer: Was ist ein Quantencomputer?
Bild mit freundlicher Genehmigung von Rigetti Computing. Foto von Justin Fantl.
Dies ist der erste einer Reihe von Erklärungen zur Quantentechnologie. Die anderen beiden beschäftigen sich mit Quantenkommunikation und Post-Quanten-Kryptografie.
Ein Quantencomputer macht sich einige der fast mystischen Phänomene der Quantenmechanik zunutze, um enorme Sprünge in der Rechenleistung zu erzielen. Quantenmaschinen versprechen, selbst die leistungsfähigsten Supercomputer von heute – und von morgen – zu überflügeln.
Herkömmliche Computer werden sie jedoch nicht auslöschen. Die Verwendung einer klassischen Maschine wird immer noch die einfachste und wirtschaftlichste Lösung sein, um die meisten Probleme zu lösen. Aber Quantencomputer versprechen spannende Fortschritte in verschiedenen Bereichen, von der Materialwissenschaft bis zur Pharmaforschung. Unternehmen experimentieren bereits mit ihnen, um Dinge wie leichtere und leistungsfähigere Batterien für Elektroautos zu entwickeln und zur Entwicklung neuartiger Medikamente beizutragen.
Das Geheimnis der Leistungsfähigkeit eines Quantencomputers liegt in seiner Fähigkeit, Quantenbits oder Qubits zu erzeugen und zu manipulieren.
Was ist ein Qubit?
Heutige Computer verwenden Bits – einen Strom von elektrischen oder optischen Impulsen, der repräsentiert eins s oder 0 S. Alles, von Ihren Tweets und E-Mails bis hin zu Ihren iTunes-Songs und YouTube-Videos, sind im Wesentlichen lange Zeichenfolgen dieser Binärziffern.
Quantencomputer hingegen verwenden Qubits, bei denen es sich typischerweise um subatomare Teilchen wie Elektronen oder Photonen handelt. Das Generieren und Verwalten von Qubits ist eine wissenschaftliche und technische Herausforderung. Einige Unternehmen wie IBM, Google und Rigetti Computing verwenden supraleitende Schaltkreise, die auf Temperaturen gekühlt werden, die kälter sind als im Weltraum. Andere, wie IonQ, fangen einzelne Atome in elektromagnetischen Feldern auf einem Siliziumchip in Ultrahochvakuumkammern ein. In beiden Fällen besteht das Ziel darin, die Qubits in einem kontrollierten Quantenzustand zu isolieren.
Qubits haben einige skurrile Quanteneigenschaften, die bedeuten, dass eine verbundene Gruppe von ihnen viel mehr Rechenleistung bereitstellen kann als die gleiche Anzahl von binären Bits. Eine dieser Eigenschaften ist als Überlagerung bekannt, eine andere als Verschränkung.
Was ist Superposition?
Qubits können zahlreiche mögliche Kombinationen von darstellen eins und 0 zur selben Zeit. Diese Fähigkeit, gleichzeitig in mehreren Zuständen zu sein, wird Superposition genannt. Um Qubits in Überlagerung zu bringen, manipulieren Forscher sie mit Präzisionslasern oder Mikrowellenstrahlen.
Dank dieses kontraintuitiven Phänomens kann ein Quantencomputer mit mehreren überlagerten Qubits eine große Anzahl potenzieller Ergebnisse gleichzeitig verarbeiten. Das endgültige Ergebnis einer Berechnung ergibt sich erst, wenn die Qubits gemessen werden, wodurch ihr Quantenzustand sofort zu einem der beiden kollabiert eins oder 0 .
Was ist Verstrickung?
Forscher können Paare von Qubits erzeugen, die verschränkt sind, was bedeutet, dass die zwei Mitglieder eines Paares in einem einzigen Quantenzustand existieren. Die Änderung des Zustands eines der Qubits ändert sofort den Zustand des anderen auf vorhersehbare Weise. Dies geschieht selbst dann, wenn sie durch sehr große Entfernungen getrennt sind.
Niemand weiß wirklich genau, wie oder warum Verschränkung funktioniert. Es verblüffte sogar Einstein, der es bekanntermaßen als gespenstische Fernwirkung beschrieb. Aber es ist der Schlüssel zur Leistungsfähigkeit von Quantencomputern. Bei einem herkömmlichen Computer verdoppelt die Verdoppelung der Anzahl von Bits seine Verarbeitungsleistung. Aber dank der Verschränkung führt das Hinzufügen zusätzlicher Qubits zu einer Quantenmaschine zu einer exponentiellen Steigerung ihrer Zahlenverarbeitungsfähigkeit.
Quantencomputer nutzen verschränkte Qubits in einer Art Quantenkette, um ihre Magie zu entfalten. Die Fähigkeit der Maschinen, Berechnungen mit speziell entwickelten Quantenalgorithmen zu beschleunigen, ist der Grund, warum so viel über ihr Potenzial geredet wird.
Das ist die gute Nachricht. Die schlechte Nachricht ist, dass Quantenmaschinen aufgrund von Dekohärenz viel fehleranfälliger sind als klassische Computer.
Was ist Dekohärenz?
Die Wechselwirkung von Qubits mit ihrer Umgebung auf eine Weise, die dazu führt, dass ihr Quantenverhalten zerfällt und schließlich verschwindet, wird als Dekohärenz bezeichnet. Ihr Quantenzustand ist extrem zerbrechlich. Die kleinste Vibration oder Temperaturänderung – Störungen, die in der Quantensprache als Rauschen bezeichnet werden – kann dazu führen, dass sie aus der Überlagerung fallen, bevor ihre Arbeit richtig erledigt ist. Deshalb tun Forscher ihr Bestes, um Qubits in diesen unterkühlten Kühlschränken und Vakuumkammern vor der Außenwelt zu schützen.
Aber trotz ihrer Bemühungen schleichen sich durch Rauschen immer noch viele Fehler in die Berechnungen ein. Intelligente Quantenalgorithmen können einige davon kompensieren, und das Hinzufügen weiterer Qubits hilft ebenfalls. Es werden jedoch wahrscheinlich Tausende von Standard-Qubits benötigt, um ein einziges, äußerst zuverlässiges Qubit zu erstellen, das als logisches Qubit bezeichnet wird. Dies wird viel Rechenleistung eines Quantencomputers verbrauchen.
Und da ist der Haken: Bisher konnten Forscher nicht mehr als 128 Standard-Qubits generieren (siehe unseren Qubit-Zähler Hier ). Wir sind also noch viele Jahre davon entfernt, Quantencomputer zu bekommen, die allgemein nützlich sein werden.
Das hat die Hoffnungen der Pioniere, die ersten zu sein, die die Quantenüberlegenheit demonstrieren, nicht getrübt.
Was ist Quantenüberlegenheit?
Es ist der Punkt, an dem ein Quantencomputer eine mathematische Berechnung durchführen kann, die nachweislich selbst für den leistungsstärksten Supercomputer unerreichbar ist.
Wie viele Qubits dafür benötigt werden, ist noch unklar, weil Forscher immer wieder neue Algorithmen finden, um die Leistung klassischer Maschinen zu steigern, und Supercomputing-Hardware immer besser wird. Aber Forscher und Unternehmen arbeiten hart daran, den Titel zu erringen, indem sie Tests gegen einige der leistungsstärksten Supercomputer der Welt durchführen.
In der Forschungswelt wird viel darüber diskutiert, wie wichtig das Erreichen dieses Meilensteins sein wird . Anstatt darauf zu warten, dass die Vorherrschaft erklärt wird, beginnen Unternehmen bereits, mit Quantencomputern zu experimentieren, die von Unternehmen wie IBM, Rigetti und D-Wave, einer kanadischen Firma, hergestellt werden. Auch chinesische Firmen wie Alibaba bieten Zugang zu Quantenmaschinen. Einige Unternehmen kaufen Quantencomputer, während andere solche verwenden, die über Cloud-Computing-Dienste verfügbar gemacht werden.
Wo ist ein Quantencomputer wahrscheinlich zuerst am nützlichsten?
Eine der vielversprechendsten Anwendungen von Quantencomputern ist die Simulation des Verhaltens von Materie bis auf die molekulare Ebene. Autohersteller wie Volkswagen und Daimler verwenden Quantencomputer, um die chemische Zusammensetzung von Batterien für Elektrofahrzeuge zu simulieren, um neue Wege zur Verbesserung ihrer Leistung zu finden. Und Pharmaunternehmen nutzen sie, um Verbindungen zu analysieren und zu vergleichen, die zur Entwicklung neuer Medikamente führen könnten.
Die Maschinen eignen sich auch hervorragend für Optimierungsprobleme, da sie eine Vielzahl potenzieller Lösungen extrem schnell durcharbeiten können. Airbus verwendet sie zum Beispiel, um die treibstoffeffizientesten Steig- und Sinkwege für Flugzeuge zu berechnen. Und Volkswagen hat einen Dienst vorgestellt, der die optimalen Routen für Busse und Taxis in Städten berechnet, um Staus zu minimieren. Einige Forscher glauben auch, dass die Maschinen verwendet werden könnten, um künstliche Intelligenz zu beschleunigen.
Es könnte einige Jahre dauern, bis Quantencomputer ihr volles Potenzial entfalten. Universitäten und Unternehmen, die daran arbeiten, sind mit einem Mangel an qualifizierten Forschern auf diesem Gebiet konfrontiert – und mit einem Mangel an Lieferanten einiger Schlüsselkomponenten. Aber wenn diese exotischen neuen Rechenmaschinen halten, was sie versprechen, könnten sie ganze Branchen verändern und globale Innovationen beschleunigen.