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Quantencomputer: Wie sie funktionieren und was sie können

  • Veröffentlicht: 21.06.2021
  • 17:00 Uhr
  • Galileo

Die Rechenarbeit von 10.000 Jahren in 3 Minuten. Googles Quantencomputer Sycamore schlägt jeden PC. Werden sie normale Computer bald ersetzen? Und was ist an Quantenrechnern so besonders.

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Das Wichtigste zum Thema Quantencomputer

  • Ein Quantencomputer rechnet millionenfach schneller als ein herkömmlicher PC. Er wäre theoretisch in der Lage, den Urknall zu simulieren.

  • Der Grund für seine Geschwindigkeit: Ein Quantencomputer löst Rechenschritte parallel und nicht nacheinander wie ein normaler Rechner.

  • Googles Quantencomputer Sycamore löste eine äußerst komplizierte Rechenaufgabe in 200 Sekunden. Der aktuell schnellste Supercomputer "Summit" hätte dafür 10.000 Jahre gebraucht.

  • Damit wurde zum ersten Mal in der Geschichte die Quantum Supremacy, die Quantenüberlegenheit, erreicht.

  • Für zu Hause ist der neue Computer aber nichts. Alleine schon wegen seiner Maße: Er ist über 2,50 Meter groß.

  • Neben Google arbeiten auch die großen US-Techunternehmen IBM und Microsoft sowie der kanadische Hardware-Hersteller D-Wave an Quantencomputern. IBM hat sogar 5 Quantencomputer zusammengeschlossen. Allerdings läuft das System noch nicht stabil. Googles Sycamore schaffte hingegen schon 53 Qubits.

  • Schon Anfang der 80er-Jahre, als Computer so langsam alltäglich wurden, arbeiteten Fachleute wie der Physiker Paul Benioff sowie der Mathematiker Juri Manin an Konzepten für Quantencomputern. 2 Jahre später folgte ein Konzept des Nobelpreisträgers Richard Feynman - er gilt als wichtigster Geburtshelfer der Quantencomputer.

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Was wird von Quantencomputern erwartet?

👨‍💻 Quantencomputer sollen Probleme lösen, an denen bislang selbst die leistungsfähigsten Superrechner gescheitert wären.

🚘 Schon in weniger als 10 Jahren könnten Quantencomputer berechnen, wie man beispielsweise leistungsfähigere Akkus bauen kann.

💊 Auch die Struktur von Molekülen ließe sich simulieren, auf diese Weise können neue Medikamente entwickelt werden. Zudem ließe sich berechnen, wie ein Medikament wirksamer wird.

🗂 Selbst wenn eine Datenbank riesig und unsortiert ist, kann ein Quantencomputer sie in Windeseile nach einem bestimmten Ergebnis durchsuchen. Durch die rasend schnelle Verarbeitung von Big Data sowie dem enormen Fortschritt im Bereich der Künstlichen Intelligenz (KI) könnte mit Quantencomputern das Wetter oder Krankheiten langfristig vorhergesagt werden.

🔓 Ein Quantencomputer knackt jede Verschlüsselung im Netz. Die basiert momentan auf der Primfaktorzerlegung - kein großes Problem für die schnellen Rechner. Online-Banking und verschlüsselte Nachrichten wären dann nicht mehr sicher.

🔐 Gut, dass die Quantentechnologie auch eine neue Form der Verschlüsselung bereitstellt. Damit siehst du auch, wenn jemand von Außen versucht, auf deine Daten oder Nachrichten zuzugreifen.

👩‍🔬 Wie schaffen es manche Enzyme, dass der reaktionsfaule Stickstoff aus unserer Luft durch sie auf einmal doch chemisch umgewandelt wird? Diese Grundlage für alles Leben auf der Erde haben Forscher bis heute nicht verstanden - Quantencomputer sollen das ändern.

🚗 Volkswagen will mithilfe von den Supercomputern Staus verhindern. Den Verkehrsfluss vorauszuberechnen, ist für herkömmliche Computer zu kompliziert.

Wie funktioniert ein Quantencomputer?

Damit du verstehst, warum Quantencomputer so revolutionär sind, werfen wir erstmal ein Blick auf herkömmliche Computer. Erstaunlich: Selbst die neuesten Geräte basieren streng genommen auf klassischer Physik aus dem 19. Jahrhundert. Denn sie unterscheiden eigentlich nur, ob gewisse Bereiche auf der Festplatte geladen oder ungeladen sind. Diese Information transportieren die berühmten 1-er und 0-er, die Bits.

Ein Binary digit (kurz Bit) kann nur 2 eindeutige Antworten auf eine Frage geben: "1 oder 0?" Um damit kompliziertere Informationen auszudrücken, muss man ganz viele Bits aneinanderreihen. Erst viele gut sortierte 1-er und 0-er übersetzt dein Computer beispielsweise als ein Foto oder als diesen Text. Ein Beispiel: Der Buchstabe "A" in der Sprache der Bits: 01000001. Dieses System ist zwar sehr zuverlässig, kostet aber bei sehr komplexen Aufgaben viel Zeit und Strom.

Ein Qubit entscheidet sich nicht zwischen 1 und 0, sondern kann theoretisch in unendlich vielen Zuständen dazwischen sein.
Ein Qubit entscheidet sich nicht zwischen 1 und 0, sondern kann theoretisch in unendlich vielen Zuständen dazwischen sein.© Adobe Stock
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Wie rechnet ein Quantencomputer?

➕ Quantencomputer arbeiten ganz anders - mit Quantenbits - kurz Qubits.

⚡ Ein Quantencomputer ist millionenfach schneller als herkömmliche Computer, da er Rechenprozesse nicht nacheinander sondern gleichzeitig angeht.

👩‍🏫 Ein Qubit entscheidet sich nicht zwischen 1 und 0, es befindet sich in einer Art Zwitterzustand. Physiker nennen das Überlagerungs-Zustände oder Superpositionsprinzip.

📝 Wie beim klassischen PC fasst man mehrere Qubits zu Quantenregistern zusammen.

📈 Verkoppelt man mehrere Qubits miteinander, wächst der Raum der gleichzeitig möglichen Lösungen exponentiell. Verbindet man zum Beispiel 333 Qubits miteinander, kommt man auf eine Zahl von 1,7*10100 Berechnungs-Zuständen, die in diese Superpositionen versetzt werden könnten.

☝ Stell dir eine Münze vor: Würde sie ein Bit darstellen, kann man sie entweder mit Kopf oder Zahl nach oben legen - das wäre eine 0 oder eine 1. Wäre sie jedoch ein Qubit, wäre sie eine Münze in der Luft, die sich schnell um sich selbst dreht. Sie ist gleichzeitig Kopf oder Zahl.

Was es mit der Quantenüberlegenheit auf sich hat

Quantenüberlegenheit  - so definierte sie 2012 der Physiker John Preskill - ist dann erreicht, wenn ein Quantencomputer eine Aufgabe wesentlich schneller lösen kann als der aktuell beste Supercomputer. Dabei müssen vor allem 2 wesentliche Punkte erfüllt sein.

1. Der Quantencomputer muss schneller als ein Supercomputer sein, wenn beide eine ganz bestimmte Aufgabe versuchen zu lösen.

2. Es muss ausgeschlossen sein, dass der Quantencomputer rein zufällig schneller ist als der Supercomputer. Seine Geschwindigkeit darf nur darauf beruhen, dass er ein Quantencomputer ist.

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Werden Quantencomputer in Zukunft Computer ersetzen?

Beim Bau eines Quantencomputers stehen Forschende vor großen technischen Herausforderungen:

  • Es ist technischen extrem aufwendig, die Qubits kontrolliert in den Überlagerungszustand zu bringen. Deswegen ist der Quantencomputer auch so groß und vorerst nicht für alltägliche Zwecke, geschweige denn für den Schreibtisch zu Hause, geeignet.
  • Quantencomputer sind sehr fehleranfällig. Kleinste Temperaturschwankungen oder winzige Vibrationen können den empfindlichen Zustand von Qubits zerstören.
  • Quantencomputer funktionieren aktuell nur im Vakuum und im Temperaturbereich nahe dem absoluten Nullpunkt.
  • Noch sind Quantencomputer schwer zu programmieren, denn sie funktionieren nach anderen Gesetzen als herkömmliche Computer. Die Überlagerungszustände fallen bisher in sich zusammen, wenn man viele Qubits aneinanderreiht. Denn diese Zustände gibt es nur in der Welt der Quantenphysik, auf der Ebene der Atome oder darunter, also bei den aller kleinsten Dingen.

Vom Rechenschieber zum ersten PC - die Geschichte des Computers

Eine Rechenmaschine, die vermutlich schon seit Jahrtausenden in unterschiedlichen Formen in Gebrauch ist: der Abakus.
Eine Rechenmaschine, die vermutlich schon seit Jahrtausenden in unterschiedlichen Formen in Gebrauch ist: der Abakus.© Getty Images/RichVintage
Die "Rechenuhr" von Wilhelm Schickard (1623) war die erste Rechenmaschine mit getrennten Werken für Addition/Subtraktion und Multiplikation/Division. Ihren Namen bekam sie wegen ihrer vielen Zahnräder.
Die "Rechenuhr" von Wilhelm Schickard (1623) war die erste Rechenmaschine mit getrennten Werken für Addition/Subtraktion und Multiplikation/Division. Ihren Namen bekam sie wegen ihrer vielen Zahnräder.© picture alliance/Stefan Sauer
1703 stellt der deutsche Mathematiker und Philosoph Gottfried Wilhelm Leibniz das binäre Zahlensystem vor. Der Artikel "Explication de l’Arithmétique Binaire" sollte zur Grundlage aller heutigen Computer werden.
1703 stellt der deutsche Mathematiker und Philosoph Gottfried Wilhelm Leibniz das binäre Zahlensystem vor. Der Artikel "Explication de l’Arithmétique Binaire" sollte zur Grundlage aller heutigen Computer werden.© getty images/fotomay
Die erste mit Lochkarten programmierbare Maschine: Ein Webstuhl, den Joseph-Marie Jacquard 1805 entwickelte.
Die erste mit Lochkarten programmierbare Maschine: Ein Webstuhl, den Joseph-Marie Jacquard 1805 entwickelte.© getty images/ilbusca
Der Bill Gates des 19. Jahrhunderts: Charles Babbage entwarf mit der "difference machine" (Bild) und der "analytical engine" zwei bahnbrechende Rechenmaschinen. Die erste vollautomatische Rechenmaschine, die "analytical engine" blieb aber vorerst ein Entwurf (1834). Vielleicht weil sie von einer Dampfmaschine betrieben und aus 55.000 Teilen bestehen sollte. Außerdem wäre sie 19 Meter lang und 3 Meter breit gewesen.
Der Bill Gates des 19. Jahrhunderts: Charles Babbage entwarf mit der "difference machine" (Bild) und der "analytical engine" zwei bahnbrechende Rechenmaschinen. Die erste vollautomatische Rechenmaschine, die "analytical engine" blieb aber vorerst ein Entwurf (1834). Vielleicht weil sie von einer Dampfmaschine betrieben und aus 55.000 Teilen bestehen sollte. Außerdem wäre sie 19 Meter lang und 3 Meter breit gewesen.© picture alliance/Photoshot
Ada Lovelace schrieb das erste Computerprogramm überhaupt. 1843 programmierte sie eine Maschine nach dem Babbage-System.
Ada Lovelace schrieb das erste Computerprogramm überhaupt. 1843 programmierte sie eine Maschine nach dem Babbage-System.© picture alliance/Photoshot
Ab 1942 berechnet er für das amerikanische Militär die Flugbahn von Raketen: ENIAC ist der erste elektronische Universalrechner. Seine Entwickler John Presper Eckert und John William Mauchly verzichteten übrigens noch auf ein Display.
Ab 1942 berechnet er für das amerikanische Militär die Flugbahn von Raketen: ENIAC ist der erste elektronische Universalrechner. Seine Entwickler John Presper Eckert und John William Mauchly verzichteten übrigens noch auf ein Display.© picture alliance/United Archives
Konrad Zuse entwickelte 1941 den ersten funktionsfähigen Digitalrechner. Der Z3 bestand aus 600 Relais für das Rechen- und 1400 Relais für das Speicherwerk.
Konrad Zuse entwickelte 1941 den ersten funktionsfähigen Digitalrechner. Der Z3 bestand aus 600 Relais für das Rechen- und 1400 Relais für das Speicherwerk.© picture alliance/dpa
Dank Federico Faggin sind unsere Computer heute deutlich kleiner und leistungsfähiger. Er entwickelte 1971 den ersten Ein-Chip-Mikroprozessor, den Intel 4004.
Dank Federico Faggin sind unsere Computer heute deutlich kleiner und leistungsfähiger. Er entwickelte 1971 den ersten Ein-Chip-Mikroprozessor, den Intel 4004.© picture alliance/Karsten Lemm
10 Jahre nach dem Mikrochip kommt der erste Personal Computer auf den Markt: Der IBM PC 5150 bot wahlweise 16 oder 64 kB Arbeitsspeicher.
10 Jahre nach dem Mikrochip kommt der erste Personal Computer auf den Markt: Der IBM PC 5150 bot wahlweise 16 oder 64 kB Arbeitsspeicher.© picture alliance/epa-Bildfunk
Eine Rechenmaschine, die vermutlich schon seit Jahrtausenden in unterschiedlichen Formen in Gebrauch ist: der Abakus.
Die "Rechenuhr" von Wilhelm Schickard (1623) war die erste Rechenmaschine mit getrennten Werken für Addition/Subtraktion und Multiplikation/Division. Ihren Namen bekam sie wegen ihrer vielen Zahnräder.
1703 stellt der deutsche Mathematiker und Philosoph Gottfried Wilhelm Leibniz das binäre Zahlensystem vor. Der Artikel "Explication de l’Arithmétique Binaire" sollte zur Grundlage aller heutigen Computer werden.
Die erste mit Lochkarten programmierbare Maschine: Ein Webstuhl, den Joseph-Marie Jacquard 1805 entwickelte.
Der Bill Gates des 19. Jahrhunderts: Charles Babbage entwarf mit der "difference machine" (Bild) und der "analytical engine" zwei bahnbrechende Rechenmaschinen. Die erste vollautomatische Rechenmaschine, die "analytical engine" blieb aber vorerst ein Entwurf (1834). Vielleicht weil sie von einer Dampfmaschine betrieben und aus 55.000 Teilen bestehen sollte. Außerdem wäre sie 19 Meter lang und 3 Meter breit gewesen.
Ada Lovelace schrieb das erste Computerprogramm überhaupt. 1843 programmierte sie eine Maschine nach dem Babbage-System.
Ab 1942 berechnet er für das amerikanische Militär die Flugbahn von Raketen: ENIAC ist der erste elektronische Universalrechner. Seine Entwickler John Presper Eckert und John William Mauchly verzichteten übrigens noch auf ein Display.
Konrad Zuse entwickelte 1941 den ersten funktionsfähigen Digitalrechner. Der Z3 bestand aus 600 Relais für das Rechen- und 1400 Relais für das Speicherwerk.
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