Quantencomputer versus PC

Wenige Technologien sind von einem so großen Mythos umgeben wie Quantencomputer. Das mag nicht zuletzt auch daran liegen, dass die Grundlage zum Verständnis von Quantencomputern in der sagenumwobenen Quantenmechanik liegt – mit der selbst schon Albert Einstein seine Probleme hatte.

Nun wollen wir mit diesem Beitrag aber nicht gleich jeden abschrecken, der nicht mindestens ein Grundstudium in Physik absolviert hat. Lassen wir also zunächst einmal die technischen „Spielereien“ beiseite und konzentrieren uns auf drei wesentliche Fragen: Wie unterscheiden sich Quantencomputer von herkömmlichen PCs? Wie funktioniert ein Quantencomputer? Welche Vorteile bringt ein solch neuartiger Computer mit sich?

Im Grunde ist ein Quantencomputer nichts anderes als ein Rechner – er löst, genauso wie klassische Computer, mathematische Aufgaben zur Behebung eines Problems. Im Unterschied zu klassischen Computern ist er jedoch bei bestimmten mathematischen Aufgaben exponentiell schneller bei der Lösungsfindung. Der große Unterschied besteht im Aufbau und den Elementen mit denen die jeweiligen Computer rechnen: Während der klassische Computer mit Bits rechnet und sich damit vor allem für sequentielle Anwendungen anbietet, arbeitet der Quantencomputer mit Qubits und kann Ergebnisse simultan berechnen.

Im Gegensatz zu Bits, denen jeweils ausschließlich ein Zustand, nämlich entweder 0 oder 1, zugeordnet wird, können Qubits beide Zustände, also sowohl 0 als auch 1, aufweisen. Das stört zunächst etwas unser Weltbild, oder? Denn wie soll etwas zum Beispiel sowohl negativ als auch positiv sein?

Ein kleiner Exkurs lässt die Idee der Qubits greifbarer werden: Erinnern wir uns zunächst an Schrödingers Katze. In seinem Gedankenexperiment ist eine Katze gemeinsam mit einem instabilen Atomkern in einen dicht verschlossenen Karton eingesperrt. Sobald der Atomkern zerfällt (und das geschieht mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit), wird ein giftiges Gas freigesetzt, dass die Katze tötet. Nun ist die Frage: Lebt die Katze noch? Dem können wir nur auf den Grund gehen, wenn wir den Karton öffnen und nachschauen. Und genau darin liegt der Kern von Qubits: Sofern sie unbeobachtet sind, können Qubits zwei Zustände annehmen, unter Beobachtung hingegen entscheiden sie sich jedoch für einen bestimmten Zustand.

Mit einem Qubit allein lässt sich allerdings noch nicht rechnen, die eigentliche Leistung eines Quantencomputers entsteht durch die Verknüpfung (hier spricht man von Verschränkung) mehrerer Qubits. Sind Qubits miteinander verschränkt, dann ändern sich ihre Zustände in Abhängigkeit der Zustände anderer Qubits. Werden ganz viele Qubits miteinander verknüpft, führt die Änderung des Zustands eines Qubits auch zu einer Veränderung des Zustands aller anderen Qubits – eine Art Kettenreaktion also. Dadurch ergeben sich schnell Milliarden von Zuständen, mit denen letztlich gerechnet werden kann.

Lösungen, die einen klassischen Rechner Stunden, Tage, Wochen, selbst Monate beanspruchen würden, werden mit dem Quantencomputer innerhalb von Minuten oder gar Sekunden ausgerechnet.

Doch halt, sind wir wirklich schon so weit? Wohl kaum. Erstens ist es noch immer höchst umstritten, was ein Quantencomputer wirklich ist. Eine einheitliche Definition fehlt. Zweitens haben wir in den obigen Passagen vor allem eins betrieben: Theorie. Denn noch steckt der Quantencomputer in den Kinderschuhen und ist bis dato mehr ein theoretisches Konzept als ein fertiges Produkt. Wann der Moment der Singularität eintritt, also der Moment, wenn ein Quantencomputer wirklich und real dem klassischen Computer überlegen ist, bleibt umstritten. Zur Diskussion steht eine Zeitspanne von fünf Jahren bis nie. Also alles noch relativ unsicher und wage, oder?

Fest steht aber auf jeden Fall eins: Die herkömmlichen Computer werden nach Moore’s Law bald an ihre Grenzen stoßen: schneller, besser und kleiner ist für die klassischen Computer bald schlichtweg nicht mehr möglich.

Sollten Quantencomputer Realität werden, so wird dies entscheidende Auswirkungen auf diverse Lebensbereiche und Branchen haben. Denn als „Supercomputer“, der mit riesigen Datenmenge und einer Flut an Informationen in kürzester Zeit umgehen kann, bereitet der Quantencomputer Wege für ganz neue Produkte. So könnten zum Beispiel die Pharma- oder Automobilindustrie revolutioniert werden, wenn Medikamente passgenau auf die DNS eines Menschen abgestimmt und verabreicht oder wenn alle Fahrzeuge einer Stadt autonom so durch Straßen geleitet werden, dass keine Staus entstehen und alle trotzdem schnellstmöglich ihr Ziel erreichen.

Und jetzt? Neugierig geworden, was Quantencomputer für die Finanzindustrie bedeuten könnte? Wir freuen uns auf die Diskussion mit euch am 5. Februar bei Between the Towers!

Autor: Helge Michael