Was macht eigentlich ein Quantencomputer?

Das Quantencomputing ist ein Forschungsgebiet, das sich mit der Entwicklung von Computertechnologien befasst, die auf den Grundsätzen der "Quantenmechanik" beruhen, die das Wesen und Verhalten von Energie und Materie auf der Quantenskala (atomar und subatomar) erklärt.

Während ein Standardcomputer Daten in einem ausschließlich binären Zustand von 0 und 1 verarbeitet, verwenden Quantencomputer Quantenbits, die jeden Wert zwischen 0 und 1 annehmen können. Und wenn man die Qubits "verschränkt", kann man Probleme lösen, die klassische Computer nicht lösen können. Ein zukünftiger Quantencomputer könnte zum Beispiel jedes der heute üblichen Sicherheitssysteme, wie z.B. die 128-Bit-AES-Verschlüsselung, in Sekundenschnelle knacken. Selbst der beste Supercomputer bräuchte heute Millionen von Jahren, um dieselbe Aufgabe zu lösen.

Verschränkung ist eine Eigenschaft von Qubits, die es ihnen ermöglicht, so voneinander abhängig zu sein, dass eine Änderung des Zustands eines Qubits zu einer sofortigen Änderung der anderen führen kann. mehr als einen Zustand während der Berechnung. Die Superposition besagt, dass Qubits sowohl den Zustand 0 als auch den Zustand 1 gleichzeitig annehmen können.

Quantencomputer sind also nicht nur eine schnellere Version unserer heutigen Computer. Sie funktionieren nach den Gesetzen der Quantenphysik. Das ist wie eine Glühbirne im Vergleich zu einer Kerze.

Quantencomputer und künstliche Intelligenz (KI) sind beides transformative Technologien. Heute ermöglicht die KI mit Hilfe des klassischen Rechnens die "Künstliche Enge Intelligenz" (ANI). Die Quanteninformatik wird die Entwicklung hin zu einer "Künstlichen Allgemeinen Intelligenz" (AGI), die die Funktionsweise des menschlichen Gehirns nachahmt, erheblich beschleunigen und vielleicht den Weg zu einer "Künstlichen Superintelligenz" (ASI) ebnen, die das menschliche Gehirn übertrifft und das Niveau des Selbstbewusstseins und der Selbsterkenntnis nachahmt.

Entwicklung der Quantencomputer

Es waren die unorthodoxen Theorien der Quantenmechanik aus dem 20. Jahrhundert, die später das Quantencomputing hervorbringen sollten. Das Konzept der Verwendung von Quanteneinheiten zur Verarbeitung von Daten und zur Lösung komplexer Probleme, ähnlich wie bei einem klassischen Computer, lässt sich bis in die 1980er Jahre zurückverfolgen, die sogenannte Ära der "God Fathers" des Quantencomputers.

1980 - Paul Benioff beschrieb das erste quantenmechanische Modell eines Computers und zeigte, dass Quantencomputer theoretisch möglich sind. Seine Idee eines Quantencomputers basierte auf Alan Turings berühmtem Lochstreifencomputer, den er 1936 in einem Aufsatz beschrieben hatte.

1981 - Im Jahr darauf bewies der Physiker Richard Feynman, dass es unmöglich ist, Quantensysteme auf einem klassischen Computer zu simulieren. Sein Argument stützte sich auf das 1964 aufgestellte Bellsche Theorem. In einer Vorlesung im Jahr 1984 schlug Feynman vor, wie ein Quantencomputer in der Lage sein könnte, jedes beliebige Quantensystem, einschließlich der physikalischen Welt, zu simulieren. Sein Konzept lehnt sich an Benioffs Quanten-Turing-Computer an.

1985 - Der Physiker David Deutsch veröffentlicht einen Aufsatz, in dem er den ersten universellen Quantencomputer der Welt beschreibt: eine Möglichkeit, mathematisch zu verstehen, was auf einem Quantencomputer möglich ist. Er zeigte, wie ein solcher Quantencomputer jedes realisierbare physikalische System reproduzieren kann. Und das mit endlichen Mitteln und viel schneller als ein klassischer Computer. Er war der erste, der die mathematischen Konzepte einer Quanten-Turing-Maschine aufstellte, die ein Quantensystem modellieren kann.

1994 - Peter Shor entwickelt den "Shor-Algorithmus", der es einem Quantencomputer ermöglichen würde, große Zahlen viel schneller zu faktorisieren als der beste klassische Algorithmus.

Wichtige Akteure im Quantencomputing

Die Quantentechnologie befindet sich noch in einem frühen Stadium der Entwicklung. In den letzten Jahren sind die ersten kommerziellen Geräte auf den Markt gekommen, die einige hundert Operationen mit mehreren Dutzend Qubits durchführen können. Diese frühe Hardware reichte bereits aus, um die Überlegenheit der Quantentechnologie zu demonstrieren, indem sie ein spezifisches Problem löste, das für klassische Supercomputer unlösbar ist.

Google, IBM und eine Handvoll Start-up-Unternehmen konkurrieren um die nächste Generation von Supercomputern. Das Aufkommen von Quantencomputern könnte zur Lösung von Problemen beitragen, wie z. B. der Modellierung komplexer chemischer Prozesse, die die bestehenden Computer nicht bewältigen können.

Das kanadische Unternehmen D-Wave Systems Inc. verkaufte 2011 als erstes Unternehmen Quantencomputer, deren Nutzen jedoch auf bestimmte Arten von mathematischen Problemen beschränkt ist. IBM, Google, Intel und Rigetti Computing, ein Start-up-Unternehmen in Berkeley, Kalifornien, haben in Zusammenarbeit funktionierende Quantencomputer für Unternehmen und Forscher entwickelt.

Intel hat mit der Auslieferung eines supraleitenden Quantenchips an Forscher begonnen. Das Unternehmen hat auch einen viel kleineren, aber bisher weniger leistungsfähigen Quantencomputer entwickelt, der auf einem Siliziumchip läuft, der sich nicht allzu sehr von denen in normalen Computern unterscheidet.

Microsoft hat ein gut finanziertes Programm zum Bau eines Quantencomputers mit einem ungewöhnlichen Design gestartet, das ihn für kommerzielle Anwendungen praktischer machen könnte. Auch die Airbus Group richtete 2015 ein Team ein, das sich an seinem Standort in Newport, Wales, mit Quantencomputern beschäftigt. Das Hauptziel der Airbus-Abteilung für Verteidigung und Raumfahrt bestand darin, alle Technologien im Zusammenhang mit der Quantenmechanik zu untersuchen, von der Kryptografie bis zur Berechnung.

Weltweite Innovationen

Die USA und China mögen dominieren, aber das Vereinigte Königreich und Europa sind nicht weit dahinter. Frankreich kann mit Fug und Recht behaupten, eines der führenden Länder Europas im Bereich der Quanteninformatik zu sein. Die nationalen Pläne stützen sich auf einen Bericht vom Januar 2020 mit dem Titel: "Quantique: le virage technologique que la France ne ratera pas", das Frankreich zu einem weltweit führenden Land machen soll.

Die deutsche Regierung hat zwei Milliarden Euro in einem Konjunkturpaket bereitgestellt, und erst kürzlich hat ein Gremium von Experten aus Forschung und Industrie einen Fahrplan für das Quantencomputing vorgelegt.

Im Vereinigten Königreich wurden 1 Milliarde Pfund zur Verfügung gestellt, einschließlich einer 10-Jahres-Investition durch das National Quantum Technologies Programme, das 2013 von der britischen Regierung ins Leben gerufen wurde. Dies hat zu mehr als 30 Quanten-Start-ups geführt, darunter ein nationales Netz von Quanten-Technologiezentren für Quantensensoren und -metrologie (Birmingham), Quantenkommunikation (York), quantengestützte Bildgebung (Glasgow) und Quanten-IT (Oxford).

Quantencomputer und Künstliche Intelligenz (KI)

Die Quantentechnologie hat eine immense Kraft. Sie wird es ermöglichen, Rechenaufgaben zu lösen, die selbst die besten Computer heute nicht bewältigen können. Die künstliche Intelligenz, die auf die Analyse riesiger Datenmengen ausgelegt ist, könnte davon profitieren, ebenso wie die Material- und Pharmaforschung.

Der Begriff "Quanten-KI" bezeichnet die Verwendung von Quantencomputern für die Berechnung von Algorithmen des maschinellen Lernens, die die rechnerische Überlegenheit von Quantencomputern nutzen, um Ergebnisse zu erzielen, die mit klassischen Computern nicht möglich sind.

So können industrielle und akademische Forscher Simulationen durchführen, um immer komplexere Design- und Optimierungsprobleme zu lösen, was letztlich zur Entwicklung besserer Produkte und Dienstleistungen führt. Dennoch bleiben viele wirtschaftlich, technologisch und wissenschaftlich relevante Probleme (z. B. computergestützte Chemie, Arzneimitteldesign, biologische Prozesse, Routenoptimierung) für moderne und sogar künftige Supercomputer unerreichbar, wenn man davon ausgeht, dass die Rechenleistung weiterhin im derzeitigen Tempo wächst. Infolgedessen wurden im Laufe der Jahre unzählige Näherungsmethoden entwickelt, die sich durch verschiedene Kompromisse zwischen Genauigkeit und Rechenaufwand auszeichnen.

Vorteile des Quantencomputings

Quantencomputer werden eine enorme Geschwindigkeit für bestimmte Probleme liefern. Forscher arbeiten an der Entwicklung von Algorithmen, um herauszufinden und zu lösen, welche Probleme sich für Quantenbeschleunigungen eignen.
Die Geschwindigkeit von Quantencomputern wird viele unserer Technologien verbessern, die eine immense Rechenleistung benötigen, z. B. maschinelles Lernen, 5G (und noch schnellere Internetgeschwindigkeiten), Hochgeschwindigkeitszüge (und viele andere Transportmethoden) und vieles mehr.

Quantencomputing ist im Zeitalter von Big Data von großer Bedeutung. Denn wir brauchen effiziente Computer, um die riesigen Datenmengen zu verarbeiten, die wir täglich produzieren.

Anwendungen des Quantencomputings

Künstliche Intelligenz

Künstliche Intelligenz (KI) ist eine der wichtigsten und besten Technologien des Quantencomputers. Die Grundlage der KI ist das Konzept des Lernens aus Erfahrung. Sie wird je nach Feedback immer genauer, bis das Computerprogramm beginnt, "Intelligenz" zu zeigen. Diese Rückmeldung basiert auf der Abschätzung der Wahrscheinlichkeiten für viele mögliche Entscheidungen. Daher ist die KI ein idealer Kandidat für das Quantencomputing. Sie zielt darauf ab, viele Branchen zu verändern. Vom Auto bis zur Medizin und in der Zukunft wird die KI das sein, was die Elektrizität im zwanzigsten und einundzwanzigsten Jahrhundert war.

Algorithmen für maschinelles Lernen

Maschinelles Lernen (ML) und KI-Technologien sind die beiden wichtigsten Forschungsbereiche für die Anwendung von Quantencomputer-Algorithmen, wodurch eine neue Disziplin entstanden ist, die als Quantum Machine Learning (QML) bezeichnet wird.

Die meisten industriellen Anwendungen der künstlichen Intelligenz beruhen derzeit auf dem so genannten "überwachten Lernen", das bei Aufgaben wie Bilderkennung oder Verbrauchsprognosen eingesetzt wird. Mit dem Quantencomputing werden wir wahrscheinlich eine Beschleunigung erleben, die in einigen Fällen exponentiell sein könnte.

Simulation von Hardware- und Softwarefehlern

Große Softwareprogramme mit Millionen von Codezeilen oder Hardwaresysteme mit Milliarden von Transistoren lassen sich nur schwer und teuer auf ihre Korrektheit hin überprüfen. Es kann Milliarden oder Billionen verschiedener Zustände geben, und es ist unpraktikabel und unmöglich für einen klassischen Computer, jeden einzelnen zu überprüfen und zu simulieren. Wir müssen nicht nur verstehen, was passiert, wenn das System normal arbeitet, sondern wir wollen auch wissen, was passiert, wenn ein Fehler auftritt. Kann unser Gerät diesen erkennen und verfügt es über einen Bewältigungsmechanismus, um mögliche Probleme zu verringern? Durch den Einsatz von Quantencomputern zur Unterstützung dieser Simulationen kann man hoffen, eine viel bessere Abdeckung ihrer Simulationen mit einer verbesserten Zeit zu erreichen.

Kryptographie

Die meisten Online-Sicherheitssysteme hängen heutzutage von der Komplexität der Zerlegung großer Zahlen in Primzahlen ab. Dies ist zwar möglich, indem man digitale Computer einsetzt, um alle möglichen Faktoren zu durchsuchen. Der enorme Zeitaufwand macht es jedoch teuer und unpraktisch, den Code zu "knacken". Quantencomputer können diese Faktoren effizienter berechnen als digitale Computer. Das bedeutet, dass solche Sicherheitsmethoden bald überholt sein werden. Es gibt auch innovative Methoden der Quantenverschlüsselung, die auf der Einweg-Natur der Quanteninterdependenz beruhen. Städteübergreifende Netze wurden bereits in verschiedenen Ländern eingerichtet.

Datenanalyse

Die Quanteninformatik ist in der Lage, Probleme in beeindruckendem Ausmaß zu lösen, indem sie sich mit komplexem Material befasst, das andernfalls ignoriert werden könnte. Ein spezielles Forschungsgebiet, die "topologische Analyse", hilft zu erkennen, wie sich bestimmte geometrische Formen auf bestimmte Weise verhalten. Dabei werden Berechnungen beschrieben, die auf konventionellen Computern so gut wie unmöglich sind.

Mit der Einführung eines topologischen Quantencomputers kann man einfache Berechnungen durchführen. Das macht den Prozess sehr viel einfacher.

Nanotechnologie

Durch die Einführung von Quantenpunkten hoffen die Forscher, ihre Standards in der Nanotechnologie weiter zu verbessern. Ziel ist es, die Gesundheitsbedingungen in Entwicklungsländern zu verbessern und gleichzeitig Reinigungsverfahren für verschiedene Industriezweige einzuführen.

Obwohl sich Wissenschaftler bereits mit diesem Forschungsgebiet befassen, gibt es noch eine große Lücke, die durch die Einführung von Quantenalgorithmen, die den Forschungsprozess erleichtern und die Ergebnisse beschleunigen können, geschlossen werden muss.

Digitale Sicherheit

In der heutigen digitalen Welt, in der fast jeder Einzelne riesige Mengen an persönlichen Daten in die Cloud hochlädt, besteht ein wachsender Bedarf an der Verbesserung der Sicherheitsstandards, um die Daten sicherer zu machen.

Die Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, QKD), bei der ein kryptografisches Protokoll mit Komponenten der Quantenmechanik zum Einsatz kommt, wird als sicherer Mechanismus zur Lösung des Sicherheitsproblems vorgeschlagen, da sie den Nutzern hilft, Daten zu verschlüsseln und sie gleichzeitig in die Lage versetzt, diese mit einer begrenzten Anzahl von Ressourcen zu teilen. Auf diese Weise können Nachrichten/Daten nicht nur gesichert, sondern auch unter den Mitarbeitern verteilt werden, was zu einer sicheren Verteilung beiträgt.

Künftige Anwendungen des Quantencomputings

Die Quanteninformatik ist eine vielversprechende Technologie, die unser Leben in vielerlei Hinsicht verändern wird. In dem Maße, wie die Forschung mehr Aufmerksamkeit seitens der Regierung, der Industrie und der Wissenschaft erhält, werden voraussichtlich weitere Anwendungen gefunden werden. Das Quantencomputing ist nicht mehr nur etwas für Physiker und Informatiker, sondern auch für Informationssystemforscher.

Einem von Inside Quantum Technology (IQT) veröffentlichten Bericht zufolge wird der Markt für Quantencomputer ein Volumen von 2,2 Milliarden Dollar erreichen, und die Zahl der installierten Quantencomputer wird im Jahr 2026 bei etwa 180 liegen, wobei in diesem Jahr etwa 45 Maschinen hergestellt werden. Dazu gehören sowohl Maschinen, die bei den Quantencomputerunternehmen selbst installiert sind und auf die die Quantendienste zugreifen, als auch Maschinen bei den Kunden. Der Bericht ist hier verfügbar.

Die Einnahmen aus dem Cloud-Zugang werden wahrscheinlich als Einnahmequelle für Quantencomputerunternehmen in Form von Quantum Computing as a Service (QCaaS)-Angeboten dominieren, die im Jahr 2026 75 Prozent aller Quantencomputereinnahmen ausmachen werden. Obwohl Quantencomputer auf lange Sicht in größerem Umfang gekauft werden könnten, sind potenzielle Endnutzer heute eher geneigt, Quantencomputing über die Cloud zu betreiben, als technologisch riskante und teure Investitionen in Quantencomputing-Ausrüstung zu tätigen.

Von den Finanzinstituten, die das Quantencomputing nutzen, setzt heute keines das Quantencomputing als Teil des Tagesgeschäfts ein. Einige scheinen sehr nahe dran zu sein und stellen Personal in einem Umfang ein, der vermuten lässt, dass sie kurz davorstehen. IQT Research geht davon aus, dass die Einnahmen aus dem Cloud-Zugang bis 2026 etwa 410 Millionen Dollar erreichen werden, was Finanzinstitute zum größten einzelnen Endnutzersegment des Quantenzugangs-Cloud-Marktes macht.

Parallel dazu werden Quanten-Softwareanwendungen, Entwickler-Tools und die Zahl der Quanten-Ingenieure und -Experten mit der Entwicklung der Infrastruktur in den nächsten fünf Jahren zunehmen, was es mehr Organisationen ermöglichen wird, die Leistung der beiden transformativen Technologien Quantencomputing und KI zu nutzen, und viele Universitäten dazu ermutigen wird, Quantencomputing als wesentlichen Bestandteil in ihren Lehrplan aufzunehmen.