Quantenprozessor und Quantencomputer

Ein Quantencomputer nutzt die Prinzipien der Quantenmechanik, wobei er sich von klassischen Computern unterscheidet, die mit Bits arbeiten. Während klassische Computer nur 0 oder 1 als Zustände annehmen können, verwendet der Quantencomputer Qubits, die gleichzeitig in mehreren Zuständen (Superposition) existieren können. Diese Eigenschaft ermöglicht es Quantencomputern, komplexe Berechnungen schneller als klassische Computer zu bewältigen, indem sie mehrere Rechenoperationen parallel ausführen.

Quantenalgorithmen

Quantenalgorithmen, wie der Grover-Algorithmus für die Suche in großen Datenbanken oder der Shor-Algorithmus zur Faktorisierung großer Zahlen, bieten die Möglichkeit, viele Probleme schneller zu lösen als mit klassischen Algorithmen. Beispielsweise könnte der Shor-Algorithmus die Faktorisierung großer Zahlen erheblich beschleunigen, was für viele kryptographische Verfahren von Bedeutung ist. Auch die Quanten-Simulation von Quantensystemen könnte zu Durchbrüchen in der Materialforschung und Chemie führen, indem neue Stoffe für die Biotechnologie oder Medikamente entdeckt werden.

Geschichte und Entwicklung des Quantencomputers

Der Begriff „Quantencomputer“ wurde 1981 durch Paul Benioff und Richard Feynman geprägt. Benioff zeigte, dass Computer unter den Gesetzen der Quantenmechanik arbeiten könnten, während Feynman ein Grundmodell für einen Quantencomputer präsentierte. Lange Zeit blieb der Quantencomputer theoretisch, doch ab den 1990er Jahren wurden erste Experimente durchgeführt, und es entstanden Quantenprozessoren mit einer kleinen Anzahl von Qubits.

Im Jahr 2021 wurde ein Quantenprozessor mit 127 Qubits entwickelt, und 2022 erreichte ein Prozessor mit 433 Qubits einen neuen Rekord. Diese Entwicklungen zeigen, dass Quantencomputer realisierbar sind. Die Anzahl der Qubits ist jedoch nicht der einzige Maßstab für die Leistung eines Quantencomputers. Auch die Fehlerquote und die Fähigkeit, Quanteninformationen über längere Zeiträume zu speichern, spielen eine entscheidende Rolle.

Mögliche Anwendungen von Quantencomputern

Quantencomputer könnten klassische Supercomputer bei vielen komplexen Aufgaben ersetzen. In Bereichen, in denen klassische Computer scheitern, könnten Quantencomputer Lösungen bieten:

1. Optimierung: Quantencomputer könnten große Optimierungsprobleme effizient lösen, etwa in den Bereichen Finanzwesen, Logistik oder bei der Suche nach optimalen Lösungen in sehr großen Datenmengen. Ein Beispiel ist das Problem der quadratischen, unrestringierten binären Optimierung (QUBO).

2. Simulation von Quantensystemen: Quantencomputer können verwendet werden, um komplexe chemische oder physikalische Systeme zu simulieren, die für klassische Computer zu schwierig sind. Dies könnte Fortschritte bei der Entwicklung neuer Materialien oder Medikamente bringen.

3. Maschinelles Lernen: Quantencomputer bieten das Potenzial für neue Algorithmen im maschinellen Lernen, die zur Mustererkennung, Datenanalyse und künstlichen Intelligenz beitragen könnten. Insbesondere könnten sie bei der Verarbeitung großer, komplexer Datensätze von Nutzen sein.

Ein weiteres vielversprechendes Anwendungsgebiet ist die Sicherheit. Quantencomputersysteme könnten theoretisch unknackbare Verschlüsselungsverfahren entwickeln und sichere Kommunikationsmethoden bieten, bei denen keine unbefugten Dritten die Daten entschlüsseln können.

Technische Realisierung

Die technische Umsetzung von Quantencomputern erfordert sehr niedrige Temperaturen. Beispielsweise nutzt IBM für seine Quantenprozessoren einen Kryostat, der Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (weniger als 15 mK) erreicht, um die Quantenmechanik stabil zu halten. Dies ist notwendig, da Quantenbits extrem empfindlich gegenüber Störungen sind und in einer stabilen, isolierten Umgebung arbeiten müssen.

Die Quantenprozessoren bestehen meist aus kleinen Chips, auf denen die Qubits realisiert werden. Diese Chips sind im Vergleich zu klassischen Prozessoren viel kleiner, ihre Herstellung jedoch sehr komplex.

Berechenbarkeit und Komplexitätstheorie

Die Quanteninformatik stellt klassische Konzepte wie Berechenbarkeit und Komplexität in Frage. In der klassischen Informatik gibt es die bekannten Komplexitätsklassen P (Probleme, die in polynomieller Zeit lösbar sind) und NP (Probleme, deren Lösungen in polynomieller Zeit überprüft werden können). Quantencomputer haben eine eigene Komplexitätsklasse, genannt BQP (bounded-error quantum polynomial time), die die Probleme umfasst, die Quantencomputer in polynomieller Zeit lösen können.

Obwohl Quantencomputer nicht grundsätzlich mehr Probleme lösen können als klassische Computer, wird angenommen, dass sie einige Probleme sehr viel schneller lösen können, insbesondere solche, bei denen klassische Computer in sehr viel längerer Zeit aufhören würden. Ein bekanntes Beispiel ist das Faktorisierungsproblem: Der Shor-Algorithmus ermöglicht es einem Quantencomputer, große Zahlen viel schneller zu faktorisieren als ein klassischer Algorithmus. Das stellt eine potenzielle Bedrohung für die derzeit verwendete RSA-Verschlüsselung dar.

Simulierbarkeit von Quantencomputern

Ein Quantencomputer kann von einem klassischen Computer simuliert werden, allerdings nur mit exponentiell mehr Rechenressourcen. Das bedeutet, dass ein Quantencomputer zwar keine Probleme lösen kann, die nicht auch von klassischen Computern gelöst werden können, jedoch eine erhebliche Geschwindigkeitserhöhung bei der Lösung bestimmter Probleme bietet. Ein weiteres interessantes Konzept ist die Quanten-Turing-Maschine (QTM), die als theoretisches Modell für Quantencomputing entwickelt wurde und zeigt, dass Quantencomputer in der Lage sind, beliebige physikalische Systeme effizient zu simulieren.

Es gibt jedoch auch Probleme, bei denen die erweiterte Church-Turing-These in Frage gestellt wird. Diese These besagt, dass alle physikalischen Prozesse mit einem klassischen Computer simuliert werden können, was jedoch bei Quantencomputern möglicherweise nicht zutrifft. Dies ist ein bedeutendes Thema in der theoretischen Informatik.

Komplexität und die P-NP-Frage

Ein weiteres ungelöstes Problem in der Informatik ist das P-NP-Problem: Es ist nicht bekannt, ob alle Probleme, deren Lösungen schnell verifiziert werden können (NP), auch schnell gelöst werden können (P). Ein Quantencomputer könnte hier möglicherweise einen Vorteil haben, aber es gibt noch keine endgültige Antwort, ob Quantencomputer NP-vollständige Probleme effizient lösen können.

Ein weiteres bemerkenswertes Konzept ist das Forrelation-Problem, das gezeigt hat, dass Quantencomputer in bestimmten Fällen viel effizienter sind als klassische Computer, selbst wenn beide denselben Orakelzugang haben. Dies deutet darauf hin, dass Quantencomputer in einigen Situationen tatsächlich neue Möglichkeiten der Berechnung bieten, die mit klassischen Computern nicht erreichbar sind.

Zukünftige Herausforderungen und offene Fragen

Obwohl Quantencomputer großes Potenzial haben, gibt es noch viele ungelöste Fragen. Eine der größten ist, wie sich die Quantencomputing-Komplexitätsklasse BQP zu anderen wichtigen Klassen wie NP oder PSPACE verhält. Es ist unklar, ob ein Quantencomputer in der Lage ist, ein NP-vollständiges Problem effizient zu lösen oder ob dies nur in bestimmten Fällen möglich ist.

Ein weiteres ungelöstes Problem ist die Fehlerkorrektur. Quantencomputer sind sehr fehleranfällig, da Quantenbits durch äußere Einflüsse gestört werden können. Die Entwicklung von Methoden zur Fehlerkorrektur und zur Stabilisierung von Quanteninformationen ist daher eine der größten Herausforderungen für die praktische Umsetzung von Quantencomputern.

Zudem sind die technischen Hürden zur Skalierung von Quantencomputern auf eine größere Anzahl von Qubits enorm. Ein funktionierender Quantencomputer mit Tausenden oder Millionen von Qubits ist derzeit noch nicht in Sicht, auch wenn erste Fortschritte erzielt wurden.

Forschungsgeschichte der Quantencomputer

Die Entwicklung von Quantencomputern begann bereits in den 1990er Jahren, als erste theoretische Modelle und technische Vorschläge erarbeitet wurden. 1995 präsentierten J. I. Cirac und Peter Zoller das Konzept eines Quantencomputers auf Basis von Ionen in Paul-Fallen. Ihre Machbarkeit konnte kurz darauf experimentell am Innsbrucker Institut für Quanteninformationsverarbeitung bestätigt werden. Im gleichen Jahr entwickelte Peter Shor den Shor-Code, ein wichtiger Schritt zur Quantenfehlerkorrektur, der bis heute unerlässlich ist, um die hohe Fehleranfälligkeit von Quantencomputern zu überwinden.

Erste Experimente und Fortschritte

1998 begannen Chuang, Gershenfeld und Kubinec mit dem Bau eines ersten 2-Bit-Quantencomputers aus Chloroform-Molekülen, der den Grover-Algorithmus testete. Ein wichtiger Schritt in der Entwicklung war 2001 die erste Ionenfalle mit fünf Segmenten, die in den USA am National Institute of Standards and Technology (NIST) betrieben wurde. Im selben Jahr konnte ein Quantencomputer, der auf Kernspinresonanz basierte, den Shor-Algorithmus verwenden und die Zahl 15 in ihre Primfaktoren 3 und 5 zerlegen.

2003 gelang es einem Quantencomputer, der auf Ionen in Fallen basierte, den Deutsch-Jozsa-Algorithmus durchzuführen, ein weiterer Fortschritt in der experimentellen Quanteninformatik. Ein bedeutender Durchbruch folgte 2005, als es Rainer Blatt und seinem Team in Innsbruck gelang, ein Quantenregister mit acht verschränkten Qubits zu erzeugen und diese Verschränkung durch 650.000 Messungen zu bestätigen.

Weiterentwicklung der Quantencomputer

Im März 2011 verdoppelte das Innsbrucker Team die Anzahl der Qubits auf 14, indem sie Calciumatome in einer Ionenfalle mit Laserlicht manipulierten. Gleichzeitig arbeitete ein Team um Leo DiCarlo an der Yale University an einem Zwei-Qubit-Register mit einem supraleitenden Quantenprozessor. Dieser Quantenprozessor konnte erstmals Quantenalgorithmen ausführen, was einen Meilenstein für die supraleitende Quantencomputing-Technologie darstellt.

Im selben Jahr zeigte eine Gruppe am NIST, dass Mikrowellen zur Erzeugung von Quantenverschränkung eingesetzt werden können. Diese Entdeckung ist von Bedeutung, da sie eine miniaturisierte Alternative zu den bisher benötigten großen Lasersystemen bietet und somit die Entwicklung praktischer Quantencomputer vorantreibt.

Quantencomputer und Sicherheit

Im Januar 2014 berichtete die Washington Post unter Berufung auf Edward Snowdens Whistleblower-Dokumente, dass die NSA an der Entwicklung eines „kryptologisch nützlichen“ Quantencomputers arbeitet. Dies hat weltweite Diskussionen über die Sicherheit von aktuellen Verschlüsselungsverfahren ausgelöst. In Reaktion darauf wird an der sogenannten Post-Quanten-Kryptographie gearbeitet, um Verfahren zu entwickeln, die auch von Quantencomputern nicht geknackt werden können.

Fortschritte der Industrie: IBM, Google und Microsoft

Seit 2015 ermöglicht IBM den Online-Zugang zu seinem Quantenprozessor über die IBM Quantum Experience. Zunächst mit 5 Qubits, dann 2017 mit 20 Qubits, ist die Plattform mittlerweile ein beliebtes Werkzeug für Quanteninformatiker. Bis Ende 2017 wurden über 35 wissenschaftliche Publikationen veröffentlicht, die auf diesem Quantenprozessor basieren. IBM setzte mit seinem 50-Qubit-Quantenprozessor einen wichtigen Meilenstein, als dieser 90 Mikrosekunden lang seinen Quantenzustand stabil halten konnte.

Google präsentierte 2018 seinen Quantenprozessor Bristlecone mit 72 Qubits. Dieser Prozessor sollte als Grundlage dienen, um die Quantum Supremacy zu demonstrieren, das Konzept, dass Quantencomputer klassische Supercomputer bei bestimmten Aufgaben übertreffen können. Google schätzte, dass zur Demonstration der Quantenüberlegenheit mindestens 49 Qubits notwendig sind, mit einer Schaltkreistiefe von über 40 und einer Fehlerrate unter einem halben Prozent.

Microsoft verfolgt einen anderen Ansatz und konzentriert sich auf die Entwicklung von topologischen Quantencomputern. Diese basieren auf Quasi-Teilchen wie Anyonen und Majorana-Fermionen, die als Qubits fungieren sollen. Microsoft hat dazu einen Simulator entwickelt und ein eigenes Quantencomputerlabor, „Station Q“, eingerichtet. Topologische Quantencomputer haben den Vorteil, dass sie robuster gegenüber Fehlern sein sollen.

Google und die Demonstration der Quantenüberlegenheit

Im Oktober 2019 gab Google bekannt, dass ihr Quantenprozessor Sycamore mit 53 Qubits eine Berechnung innerhalb von 200 Sekunden durchgeführt hatte, für die der leistungsstärkste klassische Supercomputer Summit etwa 10.000 Jahre gebraucht hätte. Diese Demonstration wurde als Quantum Supremacy bezeichnet, was bedeutet, dass der Quantencomputer in einer spezifischen Berechnung die Leistungsfähigkeit klassischer Systeme übertrifft. Allerdings gab es auch Kritik, insbesondere von IBM, das bezweifelte, dass der klassische Supercomputer die Aufgabe nicht in kürzerer Zeit hätte lösen können.

Chinesische Fortschritte und Quantenfehlerkorrektur

Im Dezember 2020 berichteten chinesische Wissenschaftler unter der Leitung von Jian-Wei Pan von der Universität Hefei über einen Durchbruch im Bereich der Quantenüberlegenheit. Sie hatten einen optischen Quantencomputer entwickelt, der das Gaussian Boson Sampling-Problem schneller löste als klassische Computer. Während die Ergebnisse von Google und der chinesischen Gruppe als Meilensteine gelten, wird die Quantenüberlegenheit weiterhin intensiv diskutiert, insbesondere in Bezug auf die praktische Relevanz und die Vergleichbarkeit der Ergebnisse mit klassischen Systemen.

Ein weiterer entscheidender Fortschritt kam 2021, als ein Team von Google-Wissenschaftlern zeigte, dass mit der zunehmenden Anzahl von Qubits die Fehlerrate exponentiell gesenkt werden kann. Dieser Fortschritt in der Fehlerkorrektur könnte es ermöglichen, Quantencomputer in der Zukunft zuverlässiger und skalierbarer zu machen. Dennoch bleibt das Problem der Fehlerkorrektur ein zentrales Hindernis für die praktische Nutzung von Quantencomputern, da derzeit mehr physikalische Qubits erforderlich sind, um ein logisch nutzbares Qubit zu erzeugen.

Gitterchirurgie und Verschränkung

Ein bedeutender Durchbruch in der Quantenfehlerkorrektur wurde 2020 von einem Team aus Innsbruck erzielt. Die Forscher demonstrierten Gitterchirurgie, eine Technik zur Erzeugung und Manipulation von Quantenverschränkungen zwischen kodierten Qubits. Diese Methode gilt als Schlüssel für die Realisierung von fehlerresistenten Quantencomputern.

Erste kommerzielle Quantencomputer

Im Januar 2022 berichteten Forscher aus dem Forschungszentrum Jülich von einem Quantenannealer mit über 5.000 Qubits, der in Betrieb genommen wurde. Quantenannealer sind spezialisierte Quantencomputer, die auf Optimierungsprobleme ausgelegt sind. Die Technologie steckt noch in den Kinderschuhen, aber die rasante Entwicklung deutet darauf hin, dass Quantencomputer in naher Zukunft eine bedeutende Rolle in verschiedenen Industrien spielen könnten.

Zusammenfassung und Ausblick

Die Entwicklung von Quantencomputern hat in den letzten Jahrzehnten enorme Fortschritte gemacht. Vom ersten theoretischen Modell in den 1990er Jahren bis hin zu den neuesten Experimenten mit Quantenfehlerkorrektur und Quantenüberlegenheit sind die Meilensteine zahlreich. Trotz der beeindruckenden Fortschritte sind viele Herausforderungen noch ungelöst, insbesondere die Skalierbarkeit und die Fehlerkorrektur. In den kommenden Jahren könnten Quantencomputer in der Lage sein, echte praktische Probleme zu lösen, von denen klassische Computer überfordert sind.

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Quantencomputer