Digitales ABC: Q wie...

Quantencomputer, m.
Aus Qubits und Quantengattern aufgebauter Computer, der die Gesetze der Quantenmechanik ausnutzt.


Von Markus Häfliger · 13. Oktober 2023

Bedeutung

Ein Quantencomputer ist ein Rechner respektive ein Prozessor, der im Gegensatz zum klassischen Computer auf der Basis der Quantenmechanik arbeitet. Das bedeutet, dass er nicht makroskopische Zustände elektronischer Schaltkreise zum Rechnen nutzt, sondern auf der mikroskopischen Ebene der Elementarteilchen, Atome oder Moleküle arbeitet. Damit können Berechnungen deutlich schneller durchgeführt werden, als es mit klassischen Computern möglich ist. Die Konzepte der Quantenmechanik widersprechen den Gesetzen der klassischen Physik und entziehen sich entsprechend häufig der Anschaulichkeit.

Grundlagen und Entstehung

Die Grundlagen der Quantenmechanik wurden zwischen 1925 und 1932 von bedeutenden Physikern wie Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger und andern erarbeitet, um Zustände von Vorgängen im atomaren und subatomaren Bereich, bei denen die Gesetze der klassischen Physik versagt hatten, systematisch zu beschreiben. Ein Phänomen der Quantenmechanik ist beispielsweise, dass sich ein Teilchen gleichzeitig in sehr vielen Zuständen befinden kann. Damit können bedeutend mehr Informationen gespeichert werden, als dies mit herkömmlichen Prozessoren möglich ist. Quantencomputer wurden in den 1980er Jahren erstmals von den Physikern Richard Feynman und Yuri Manin vorgeschlagen. Ende der 1990er Jahre baute IBM mit Forschern des MIT den ersten 3-Qubit-Quantencomputer. 2011 stellte D-Wave Systems den ersten kommerziellen Quantencomputer vor und löste damit auch Kritik aus, ob es sich dabei wirklich um Quantencomputing handle.

Funktionsweise

Während beim klassischen Computer das Bit die kleinste Einheit bildet, das entweder den Zustand 0 oder 1 einnimmt, ist beim Quantencomputer das Pendant das Qubit. Dieses kann aufgrund der Gesetze der Quantenmechanik gleichzeitig sowohl den Zustand 0 oder 1 einnehmen. Diese Überlagerung von verschiedenen Grössen von Zuständen basiert auf dem Prinzip der Superposition und der Verschränkung. Damit ist in der Quantenphysik ein Zustand gemeint, bei dem ein System aus mehreren Teilchen einen Zustand einnimmt, ohne dass den einzelnen Teilsystemen (Qubits) ein wohldefinierter Zustand zugeordnet werden kann. Weil nun aber der Zustand eines Qubits aufgrund der quantenmechanischen Unschärferelation nicht vollständig ausgelesen werden kann, liefern Rechendurchläufe bei Quantencomputern nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit das gewünschte Ergebnis. Dieses sogenannte Dekohärenz-Problem, dass Quantenzustände in klassische Zufallsverteilungen überführt werden, versucht man mit Fehlerkorrekturverfahren zu überwinden. Diese sollen ohne die Messung der Qubits auskommen und Quanteninformationen vor Fehlern infolge der Dekohärenz schützen. Die Schlüsselkomponenten eines Quantencomputers bilden neben den Qubits als Grundbausteine die Quantengatter zur Manipulation der Zustände der Qubits, die Quantenspeicher zur Speicherung der Qubits für die Verarbeitung und die Quantenverbindungsleitungen, mit denen mehrere Quantensysteme miteinander verbunden werden können.

Anwendungen

Forschungsinstitutionen, Regierungen und insbesondere grosse Technologiekonzerne wie IBM oder Google arbeiten mit Hochdruck daran, Supercomputer zu entwickeln. Solche Modelle, die mit exponentiell höherer Rechengeschwindigkeit arbeiten als herkömmliche Computer, können beispielsweise bei Verschlüsselungsverfahren im Bereich der Cybersicherheit und Kryptografie zum Einsatz kommen, Optimierungsaufgaben in der Logistik übernehmen, oder für Simulationen bei der Entwicklung neuer chemischer Stoffe in der Biotechnologie, zur Optimierung von Klimamodellen, in der Medikamentenforschung oder zur Verbesserung der künstlichen Intelligenz und maschinellen Lernens etwa auf dem Gebiet der Mustererkennung zum Einsatz kommen. Quantencomputer läuten nicht nur einen Paradigmenwechsel in der Entwicklung von Prozessoren ein, sondern stellen eine der bedeutendsten Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts dar.

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Über Markus Häfliger

Markus Häfliger ist Inhaber der auf Business-to-Business-IT spezialisierten PR-Agentur Häfliger Media Consulting. Er verfügt über jahrzehntelange Erfahrung mit Technologie- und Wirtschaftsthemen sowohl auf Agentur- als auch auf Medienseite. Er war Chefredaktor der IT-Branchenzeitschrift IT Reseller und von Infoweek (heute Swiss IT Magazine), der Zeitschrift für IT-Entscheider in Unternehmen. Er publiziert als Ghostwriter regelmässig in namhaften Industrie- und Wirtschaftsmedien Fachartikel und Berichte zu IT-Anwendungen in der Praxis. Für das Abraxas-Magazin verfasst er das «Digitale ABC», eine fortlaufende Artikelserie im Lexikon-Stil.

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