1. Moderne Computer nähern sich ihren Grenzen

Vom Personalcomputer, den wir täglich nutzen, bis hin zum weltweit schnellsten Supercomputer „Fugaku“ verarbeiten alle klassischen Computer Informationen in einer Einheit namens „Bit“. Ein Bit kann nur einen von zwei Zuständen annehmen: „Ein (1)“ oder „Aus (0)“. Selbst komplexe Berechnungen und riesige Bilder werden alle der Reihe nach als diese „gewaltige Aneinanderreihung von 0 und 1“ verarbeitet.

Da sich die Miniaturisierung von Halbleitern heutzutage jedoch der Atomgröße nähert, stößt das „Mooresche Gesetz (Leistungssteigerung von Halbleitern)“ an physikalische Grenzen (z. B. Stromlecks durch den Quantentunneleffekt). Um diese Grenze zu überwinden, ist der Ansatz, Berechnungen mit völlig anderen physikalischen Gesetzen durchzuführen, der „Quantencomputer“.

2. Die Magie der Quantenmechanik: „Überlagerung“

Die kleinste Einheit eines Quantencomputers wird nicht „Bit“, sondern „Qubit (Quantenbit)“ genannt. Das wichtigste Merkmal von Qubits ist, dass sie eine Eigenschaft der Quantenmechanik namens „Überlagerung (Superposition)“ nutzen.

Während ein klassisches Bit entweder auf „0“ oder „1“ festgelegt ist, kann ein Qubit den mehrdeutigen Zustand „sowohl 0 als auch 1“ (probabilistische Überlagerung) gleichzeitig aufrechterhalten.

• Ein klassischer 2-Bit-Computer kann auf einmal nur einen der Zustände „00, 01, 10, 11“ darstellen.
• Mit zwei Qubits können jedoch alle diese vier Zustände gleichzeitig gehalten werden.

Wenn dies auf 300 Qubits anwächst, wird es möglich, mehr Zustände (2 hoch 300), als Atome im Universum existieren, sofort und gleichzeitig zu berechnen. Dies ist die Quelle der überwältigenden Rechenleistung (Quantenparallelität) von Quantencomputern.

3. „Quantenverschränkung“, die schon Einstein beschäftigte

Ein weiteres wichtiges Quantenphänomen ist die „Quantenverschränkung (Entanglement)“. Dies ist ein unheimliches Phänomen, bei dem zwei Qubits so stark miteinander verbunden sind, dass, egal wie weit sie voneinander entfernt sind, „wenn der Zustand des einen beobachtet und bestimmt wird, der Zustand des anderen ebenfalls augenblicklich bestimmt wird“.

In einem Quantencomputer wird diese „Quantenverschränkung“ genutzt, um mehrere Qubits miteinander zu verknüpfen und komplexe Berechnungsalgorithmen (Interferenz) auszuführen. Am Ende der Berechnung wird eine „Beobachtung“ durchgeführt, wodurch sich nicht benötigte Antworten (Wahrscheinlichkeitswellen) gegenseitig aufheben und nur die Wahrscheinlichkeit der richtigen Antwort verstärkt und ausgegeben wird.

4. Worin sind Quantencomputer gut?

Quantencomputer sind keine allmächtigen Zauberkisten. Für alltägliche Aufgaben wie das Surfen im Internet oder die Videobearbeitung sind aktuelle Computer weitaus besser geeignet. Quantencomputer brillieren bei „Problemen, bei denen die optimale Antwort aus einer riesigen Anzahl von Kombinationen gesucht wird“.

Erwartete Anwendungsgebiete

1. Arzneimittelforschung und Entwicklung neuer Materialien: Da Moleküle und chemische Reaktionen selbst quantenmechanisches Verhalten zeigen, können Medikamentensimulationen extrem genau und mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden.
2. Optimierungsprobleme: Es wird erwartet, dass Probleme mit so vielen Variablen, dass selbst Supercomputer sie nicht berechnen können – wie z. B. „die effizienteste Lieferroute für Tausende von Lastwagen“ oder „das optimale Portfolio von Finanzprodukten“ – sofort gelöst werden.

Der Zusammenbruch der modernen Kryptographie (Shor-Algorithmus)

Derzeit wird die Sicherheit der „RSA-Kryptographie“, die die Internetkommunikation (wie HTTPS) schützt, durch die Prämisse gewährleistet, dass „die Primfaktorzerlegung von riesigen Zahlen selbst mit einem Supercomputer Zehntausende von Jahren dauern würde“. Es ist jedoch mathematisch bewiesen, dass dies mit dem „Shor-Algorithmus“ für Quantencomputer in wenigen Stunden bis Sekunden entschlüsselt werden könnte. Daher besteht derzeit weltweit ein drängender Bedarf am Übergang zur „Post-Quanten-Kryptographie (PQC)“.

5. Quantenüberlegenheit und aktuelle Herausforderungen

Im Jahr 2019 gab Google bekannt, dass ihr eigener Quantencomputer „Sycamore“ eine Berechnung in nur 200 Sekunden gelöst hat, für die der schnellste Supercomputer der Welt 10.000 Jahre gebraucht hätte, und erklärte damit, dass sie die „Quantenüberlegenheit (Quantum Supremacy)“ demonstriert hätten.

Es gibt jedoch noch große Hürden für die praktische Anwendung. Diese ist das „Rauschen (Fehler)“. Der Zustand der „Überlagerung“ von Qubits ist extrem empfindlich und wird durch winzige Mengen an Wärme oder den Einfluss von Magnetfeldern leicht zerstört. Daher sind riesige Anlagen erforderlich, um sie auf kryogene Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (minus 273 Grad) zu kühlen. Was derzeit den Mainstream bildet, sind fehleranfällige, mittelgroße Quantencomputer (NISQ). Man sagt, dass es noch mehr als 10 Jahre dauern wird, bis echte „fehlertolerante Quantencomputer“, die Fehler selbst korrigieren können, fertiggestellt sind.

6. Zusammenfassung

Quantencomputer stellen eine gewaltige menschliche Herausforderung dar, die Theorie der Quantenmechanik, die von Physikgiganten wie Einstein und Schrödinger aufgebaut wurde, als Technologie praktisch nutzbar zu machen. Genau wie der Personalcomputer das Internet hervorbrachte und das Smartphone die sozialen Netzwerke, besteht kein Zweifel daran, dass bei der praktischen Einführung von Quantencomputern völlig neue Zukunftstechnologien entstehen werden, die wir uns heute noch gar nicht vorstellen können.