Quantencomputer: Der Supercomputer der Zukunft

By appsoluts 7 Monaten agoNo Comments

Die Schlagzeilen überschlagen sich: „Google meldet Durchbruch beim Quantencomputing“, „Fraunhofer und IBM weihen Quantencomputer ein„. Eine Technologie, welche so fern unserer Vorstellungskraft agiert, ist in der Lage, zukünftig im Mittelpunkt des Informationszeitalters zu stehen. Beispielsweise könnte der Quantencomputer schon bald unsere gesamte Kommunikation auf den Kopf stellen. Warum das so ist, und wie diese große, goldene, scheinbar undurchschaubare Maschine, ganz grundlegend funktioniert, behandeln wir jetzt.

Was ist ein Quantencomputer?

Schonmal vorweg: Quantencomputing hat nichts mit Science-Fiction zutun! Zwar steckt diese Technologie noch in den Kinderschuhen, dabei ist die Idee an sich gar nicht so neu: Bereits im im 19. Jahrhundert stellten Physiker Gedankenexperimente an, wie man die Gesetze der Quantenwelt anderweitig nutzen könnte. Doch was unterscheidet nun Quantencomputer von herkömmlichen PCs?

Der wesentliche Unterschied liegt in der Leistungsfähigkeit: Der Quantencomputer verwendet Qubits anstatt von „normalen“ Bits. Somit wird die Leistung innerhalb des Computers nicht wie herkömmlich durch das Hinzufügen von Bits schrittweise addiert, sondern vergrößert sich exponentiell. Einen tieferen Einblick bietet die technische Einführung.

 

Technische Einführung

Schrödingers Katze

Beginnen möchten wir mit dem wohl bekanntesten Gedankenexperiment zum Verständnis der Quantenzustände. Im Jahr 1935 veröffentlichte der Physiker Erwin Schrödinger diese Überlegung, um anschaulich über die Problematiken in der Welt der Quanten aufzuklären – also Objekte, welche innerhalb einer mikroskopisch kleinen Ebene zu finden sind (z.B . Photonen). Dabei befindet sich eine Katze im Inneren einer Kiste, zusammen mit einer radioaktiven Substanz. Die Wahrscheinlichkeit, dass diese Substanz zerfällt und die Katze somit tötet, liegt bei 50%. Wichtig ist nun die Auswahl der radioaktiven Substanz. Sie verhindert es nämlich, dass man von außen, ohne einen Blick in die Kiste zu werfen, eine Aussage über den Zustand der Katze treffen kann. Ist sie nun lebendig oder tot? Sie befindet sich aus quantenmechanischer Sicht nun in einer Superposition bzw. einem Überlagerungszustand. Dis Katze ist gleichzeitig lebendig und tot. Die Wahrscheinlichkeit liegt jedoch, gemessen an den Gesetzen, welche wir aus dem Alltag kennen bei 50%, dass sie tot ist und bei 50%, dass sie lebendig ist. Erst durch das Moment der Messung kann schlussendlich ein genauer Zustand ermittelt werden. Die Katze, welche der Veranschaulichung eines Qubits innerhalb eines Quantencomputers dient, hat nun rein zufällig einen bestimmten Zustand angenommen, welcher aus der Messung hervorgeht. Vor der Messung, ist sie gemäß unserer empirischen Erkenntnisse zu 50:50 tot oder lebendig. Quantenmechanisch gesehen ist sie beides gleichzeitig.

Qubits

Die Herzkomponente eines jeden Quantencomputers ist ohne Frage die Verwendung von so genannten Qubits. Der herkömmliche Computer verwendet ein Bit System. Dieser rechnet mit Transistoren, welche entweder den Zustand 1 oder 0 haben können. Somit kann aus einer bestimmten Abfolge von Einsen und Nullen beispielsweise eine Zahl kodiert werden. Es kam nun die Idee auf, Transistoren unter Berücksichtigung der Quantenzustände zu bauen, welche die Vorteile dieser mikroskopischen Ebene nutzen. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass, wie bei Schrödingers Katze, gleichzeitig der Zustand 1 wie auch 0 angenommen werden kann. Die Katze befindet sich also noch in der Box. Dadurch wäre es nicht weiter erforderlich, dass Operationen seriell (hintereinander) ausgeführt werden, wie es aktuell der Fall ist, sondern dass diese simultan, also zeitgleich, passieren. Es kommt zu dem Punkt, der einen Quantencomputer auszeichnet: Die simultane Ausführung ermöglicht eine exponentielle Leistungssteigerung. Exponentiell bedeutet das, man rechnet mit 2^n bzw. 2^Anzahl der Qubits. Der aktuellste Computer von Google rechnet also mit 2^53 bzw. 9.007.199.254.740.990 Zuständen gleichzeitig!

Verschränkungen

Im Gegensatz zur Wechselwirkung mit der Umwelt, stellt die Wechselwirkung untereinander der Qubits eine der wichtigsten Eigenschaften dar, welche dafür sorgen, dass es zu einer exponentiellen Leistungssteigerung kommen kann. Werden beispielsweise zwei Qubits mittels eines Magnetfeldes ineinander verschränkt, so wird ein Qubit abhängig vom anderen. Das Ziel beider Qubits nach der Verschränkung ist die Interferenz untereinander zu verstärken, um für eine Verdopplung des aktuellen Zustandes zu sorgen. Diese simultanen Anpassungen führen zur exponentiellen Leistungssteigerung. Jedes Qubit, welches also in die Verschränkung eingebunden wird, verdoppelt somit die Möglichkeit an gleichzeitig ausführbaren Zuständen. Diese Verschränkung kann natürlich einfach innerhalb eines lokalen Systems passieren, allerdings ist es für ein Qubit prinzipiell irrelevant, wie weit weg das verschränkte Qubit ist.

Zur Veranschaulichung stellen wir uns folgendes Beispiel vor: Man nehme zwei Menschen und verschränkt diese miteinander. Wenn eine der Personen zu einem bestimmten Zeitpunkt relativ zur anderen am gegenüberliegenden Punkt der Erde stehen würde und den Arm hebt, tut dies die verschränkte Person simultan gleich.

Anwendungsbereiche

Kryptographie

Eine oft genannte Sorge ist, dass durch Quantencomputer unser aller heiß geliebtes Internet unsicher werde. Warum dies keine unbegründete Sorge ist, werden wir folgend anhand der Verschlüsselungsmethode für den Großteil des Internets erklären. Beschäftigen wir uns also mit der wohl geläufigsten Methode RSA. Man kann sich das ganze in etwa so vorstellen: RSA ist wie eine Einbahnstraße: Es ist leicht und schnell, Daten damit zu verschlüsseln. Sie ohne Besitz des Schlüssels wieder zu entschlüsseln hingegen, gleicht einer Wanderung um die Welt, bei der man alle Hauptstädte besuchen will – ein Leben reicht dafür bei Weitem nicht aus. Bedeutet: Jeder herkömmliche Computer bräuchte dafür wahrscheinlich mehr Zeit, als das Universum alt ist, sprich mehrere Milliarden von Jahren. Der Quantencomputer schafft das innerhalb von wenigen Sekunden. Damit wäre dieser wohl die Atomwaffe des Informationszeitalters. Allerdings muss man dazu sagen, dass wenn es soweit ist, wahrscheinlich neue, auf Quantenmechanik basierende Systeme, in Gebrauch sein werden.

Quantenkommunikation

Eine mögliche Lösung für das Problem der unsicheren Kommunikation könnte sein, dass man Kommunikation auf der Grundlage von Verschränkungen ermöglicht. In Bezug auf die Kommunikation könnte das so funktionieren, dass mittels verschränkter Teilchen Schlüssel erstellt werden. Diese werden durch einen Satelliten auf der Erde verteilt. Man kann also auf sicherer Basis Schlüssel zur Validierung von Empfängern erstellen und verschicken. Sollte man versuchen sich diese Schlüssel abzugreifen, müsste man die Verschränkung unterbrechen. Das fällt allerdings auf und kann einfach nachgewiesen werden.

Fazit

Wir sind fest davon überzeugt, dass uns der Quantencomputer den Weg in die Zukunft weisen wird. Es gibt mit Sicherheit noch viele Hürden, die bis zum benutzerfreundlichen Gebrauch überwunden werden müssen, jedoch bieten auch jetzt schon einsteigerfreundliche Dienste an, online mit der Programmierung zu beginnen (IBM Cloud). Es gilt allerdings, dass eine solche Technik auch eine große Verantwortung mit sich bringt. Rein theoretisch würde diese enorme Leistungssteigerung zumindest aktuell eine Gefahr für die Sicherheit darstellen, da jegliche Verschlüsselungsalgorithmen in Sekundenschnelle zunichte gemacht werden würden. Man muss dazu sagen, dass die Kryptographie immer temporär ist und somit die Algorithmen von heute früher oder später durch neue ersetzt werden.

Der Quantencomputer sorgt dafür, dass uns dieser Umstand bewusst bleibt, was enorm wichtig ist. Zukünftig sind natürlich auch KIs mithilfe des Quantencomputers denkbar. Jetzt lässt sich allerdings schon sagen: Welche Auswirkungen eine dem Menschen intellektuell überlegene Superintelligenz haben könnte, ist aus der heutigen Position weder absehbar noch lassen sich dazu wage Vermutungen abgeben. Es liegt an uns in der Zukunft, was wir aus dem System machen und dass wir sowohl Chancen, als auch Gefahren realisieren und uns deren bewusst bleiben. Wir gehen davon aus, dass uns der Quantencomputer in ein neues Zeitalter führen wird mit spannenden, neuen Erkenntnissen rund um die gesamte Naturwissenschaft. Er wird dem Wissensdurst der Menschheit gerecht werden und wohl in absehbarer Zeit für ein großes Umdenken in der Entstehungsgeschichte der Menschheit sorgen.

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