Physik

Quantencomputer – Was ist das? Eine Definition

Ein Quantencomputer ist das Äquivalent eines klassischen Computers, der jedoch seine Berechnungen direkt mithilfe der Gesetze der Quantenphysik und, als Grundlage, des sogenannten Gesetzes der Superposition von Quantenzuständen durchführen würde. Ein Superpositionszustand bedeutet, dass ein Gegenstand sich gleichzeitig in zwei verschiedenen Zuständen befindet, sich also zum Beispiel an zwei Orten gleichzeitig befindet.

Während ein herkömmlicher Computer mit Informationsbits umgeht, die entweder 0 oder 1 sind, verwendet ein Quantencomputer Qubits. Diese sind Verallgemeinerungen der klassischen Bits, die in gewisser Weise eine gleichzeitige Überlagerung dieser beiden Zustände darstellen, wie es beispielsweise ein Spinzustand bei einem Photon oder einem Elektron sein kann. Der Spin ist der Eigendrehimpuls eines Teilchens.

In einigen Fällen kann ein Quantencomputer Berechnungen viel schneller durchführen als ein herkömmlicher Computer. Dazu müsste man allerdings über eine sehr große Anzahl von Qubits verfügen. Dies ist jedoch keine Selbstverständlichkeit. Denn je größer die Anzahl der Qubits, desto instabiler ist die Überlagerung der Quantenzustände. Sie kann sich auflösen, bevor die gewünschte Berechnung abgeschlossen ist.

Physiker können bereits einige Quantencomputer bauen, aber diese sind sehr elementar, und viele glauben, dass nur Quantensimulatoren wirklich in der Lage sein werden, mit herkömmlichen Computern zu konkurrieren.

Quantensimulatoren sind Rechner, die auf die Lösung ganz spezieller Probleme spezialisiert sind, und keine universellen Turing-Maschinen, die theoretisch so programmiert werden können, dass sie jeden beliebigen Algorithmus ausführen können. Das Rennen um diese Maschinen, Computer oder einfach nur Quantensimulatoren, ist weltweit entbrannt und wird von großen IT-Unternehmen wie IBM und Google ausgefochten.

Der Ursprung von Quantencomputern

Der große Physiker Richard Feynman war einer der ersten, der Anfang der 1980er Jahre erkannte, dass man sich die Gesetze der Quantenmechanik zunutze machen kann, um Quantensysteme mithilfe anderer quantenmechanischer Systeme zu simulieren und besser zu verstehen. Vor allem im Bereich der Quantenchemie und Festkörperphysik kommt es nämlich vor, dass man bei der Simulation mit herkömmlichen Computern relativ schnell an die Grenzen des erforderlichen Rechenaufwands stößt.

Wie Feynman in seinem berühmten Werk Leçons sur l’informatique erklärt, ist es jedoch zumindest möglich, Quantenrechner oder Quantensimulatoren zu bauen, mit denen man diese Hürde umgehen kann. Dazu muss man Verallgemeinerungen der klassischen Informationsbits verwenden, die Qubits, und quantenlogische Gatter bauen, die auf diesen Qubits operieren. Wie der Physiker Claude Aslangul erläutert, ermöglichen die Quantenüberlagerung und das Phänomen der Quantenverschränkung dann gewissermaßen die parallele Durchführung einer großen Anzahl von Berechnungen.

Die Forschung zu Quantencomputern oder allgemeiner zu den Möglichkeiten, die durch die sogenannte Quanteninformation und Quantenberechnungen eröffnet werden, hat sich in den letzten zehn Jahren gut entwickelt, wie Scott Aaronsons Buch Quantum Computing since Democritus beweist. Dennoch herrscht in den Medien noch immer einige Unklarheit darüber, was Quantencomputer oder Quantenrechner können oder nicht können.

Quantencomputer und Quantenrechner sind nicht das Gleiche

Ein Quantencomputer soll, wie jeder andere Computer auch, so programmierbar sein, dass er jeden Quantenalgorithmus ausführen kann. Ein Quantenrechner kann nur einen einzigen Algorithmus oder zumindest eine Klasse von Algorithmen ausführen. Er kann nicht so programmiert werden, dass er jede beliebige Aufgabe ausführt. Es ist zwar richtig, dass einige Quantenalgorithmen bei einer ausreichenden Anzahl von Qubits in der Lage sind, einen herkömmlichen Computer zu schlagen, aber das bedeutet nicht, dass ein Quantencomputer immer leistungsfähiger ist als ein herkömmlicher Computer.

Schlimmer noch: Wenn ein Quantenalgorithmus schneller zu sein scheint als eine Berechnung auf einem herkömmlichen Computer, ist es durchaus möglich, dass der Quantenalgorithmus eines Tages durch einen effizienteren Algorithmus vom Quantencomputer geschlagen wird. Die oft behauptete Überlegenheit von Quantencomputern könnte sich als relativ erweisen. Tatsächlich ist dies mit einem von vielen Medien übertriebenen Buzz in Bezug auf einen Quantenrechner, nicht einen Computer, der von Google-Forschern verwendet wurde, geschehen.

Schließlich gibt es bei Quantencomputern oder -rechnern auch das gewaltige Problem der Quantendekohärenz. Dieses Phänomen beschreibt den Einfluss von Umweltstörungen, die einen Quantenrechner umso schneller degradieren, je mehr Qubits er verwendet. Das Problem der Dekohärenz lässt sich mit dem Bau eines Kartenhauses vergleichen: Jede Karte stellt ein Qubit dar. Um einen Prozessor zu bauen, muss man ein Schloss bauen, und zwar ein möglichst großes, wenn man einen großen Prozessor haben möchte. Dekohärenz ist ein Windstoß, der das Gebäude zum Einsturz bringt.

Es ist immer noch unklar, ob man sich davon befreien kann, auch wenn es wahrscheinlich möglich ist, die Auswirkungen mit Quantenfehlerkorrekturcodes zu begrenzen. Diese wären analog zu denen, die bereits bei herkömmlichen Computern verwendet werden. In einem Interview mit Futura-Sciences sagte der Kosmologe Max Tegmark, der sich für diese Computer interessiert, dass die von ihm befragten Experten im Allgemeinen nicht vor 2050 mit der Entwicklung eines leistungsfähigen Quantencomputers rechnen.

Dekohärenz und die verschiedenen möglichen Quantencomputer

definition von quantencomputer 300x169 - Quantencomputer - Was ist das? Eine DefinitionZurück zum Beispiel mit dem Kartenhaus: Um dem Problem der Dekohärenz entgegenzuwirken, müssen wir unser großes Kartenhaus von seiner Umgebung und insbesondere von jedem Windstoß isolieren. Stellen wir uns also vor, dass dieses Kartenhaus ein sehr leistungsfähiger Rechner ist, der aber so oft und so schnell zusammenbricht, dass keine praktischen Berechnungen mehr durchgeführt werden können.

In vielen Labors auf der ganzen Welt werden verschiedene Wege erforscht, um das Hindernis der Dekohärenz zu umgehen und die praktische Realisierung von Quantencomputern zu ermöglichen. Im Wesentlichen gibt es zwei Ansätze, mit denen Qubits hergestellt werden können:

  • „feste“ Schaltkreise, wie supraleitende Schaltkreise oder Quantenboxen ;
  • exotischere“ Systeme wie eingefangene Ionen, die farbigen Zentren von Diamanten usw.

Die erste Lösung hat einen großen Vorteil: Sie sind theoretisch in großer Zahl auf einem Chip realisierbar, wie es derzeit bei Prozessoren der Fall ist. Das ist das Konzept des integrierten Schaltkreises. Es ist noch nicht gelungen, aber es sollte funktionieren können. Ein Beispiel für diesen ersten Ansatz sind Schaltkreise mit Josephson-Übergängen. Sie wurden am Institut Néel untersucht und von D-Wave System nach eigenen Angaben für Quantencomputer verwendet.

Ein großer Nachteil ist jedoch, dass diese Schaltkreise sehr anfällig für Dekohärenz sind. Man kann davon ausgehen, dass ein Quantenprozessor auf der Basis von Josephson-Junctions nur bei sehr niedrigen Temperaturen funktionieren wird. Tatsächlich soll der Chip von D-Wave Two bei einer Temperatur von etwa 20 mK funktionieren, was sehr nahe am absoluten Nullpunkt liegt. Dieses Problem kann für sehr spezielle Anwendungen gelöst werden, nicht aber für den Massenmarkt. Man sollte daher nicht damit planen, eines Tages persönliche Quantencomputer zu haben: Bisher ist die Kryonik nicht wirklich tragbar…

Wenn man sich der zweiten Lösung zuwendet, funktionieren die hergestellten Geräte bei Raumtemperatur. Diejenigen mit eingefangenen Ionen sind besonders resistent gegen Störungen aus der Umgebung, mit einer langen Dekohärenzzeit. Eine große Anzahl solcher Qubits zum Laufen zu bringen, wird hingegen viele andere Probleme mit sich bringen: Derzeit ist nicht absehbar, wie man solche Systeme auf einem Chip „unterbringen“ könnte …

Ein weiterer Ansatz, der zur Bekämpfung der Dekohärenz in Betracht gezogen wird, ist die Verwendung von Quantencodes. Dabei handelt es sich um ein Analogon der aus der klassischen Informationstheorie bekannten Fehlerkorrekturcodes im Bereich der Quanteninformation.

Urhebender Autor: Laurent Sacco

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