FAQ: Quantencomputer

Alle Welt spricht von Quantencomputern. Hast du manchmal das Gefühl, du hast den Absprung verpasst und traust dich nicht mehr zu fragen, wie ein Quantencomputer eigentlich funktioniert und wozu er gut sein soll? Dann ist meine Blogreihe „FAQ: Quantencomputer“ für dich! Viele Newsartikel zum Quantencomputer gehen nicht (mehr) ausreichend auf die Details der neuen Quantenmaschinen ein, was schnell zu Missverständnissen und Verwirrung führt.

In drei Artikeln bin ich auf die Details der „Wundermaschinen“ eingegangen. Hier findest du eine Übersicht über die Fragen, die ich versucht habe zu beantworten – inklusive einer einer Antwort in Kurzversion.

Vom Bit zum Qubit

Alles über die Grundbausteine des Quantencomputers und was sie von den Bits aus klassischen Computern unterscheidet.

Was sind Qubits?

Quantenbits, oder kurz Qubits, sind aus Quantensystemen gebaute Bits. Während Bits zwischen den beiden Optionen 0 und 1 hin und her schalten, befinden sich Qubits nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit in einem der Zustände 0 und 1. Salopp gesagt können Qubits dank ihrer Quantensuperpower namens Superposition gleichzeitig in den Zuständen 0 und 1 sein.

Wie übersetzt man Quanteninformation in klassische?

Um die in Qubits gespeicherte Information auslesen zu können brauchen wir einen Übersetzer von der Quantensprache in unsere. Denn auch wenn ein Qubit in einer Superposition aus 0 und 1 ist, dann kann ein Detektor klicken oder nicht – er kann nicht ein bisschen klicken. Eine Messung beeinflusst ein Qubit so stark, dass es danach in einem der beiden Zustände 0 oder 1 ist, je nachdem ob der Detektor klickt oder nicht. Die Superposition geht dabei kaputt.

Was SIND Qubits? Woraus bestehen sie?

Qubits sind Quantensystemen. Dafür gibt es viele Möglichkeiten: Atome, Ionen (geladene Atome), supraleitende Qubits (winzig kleine Schaltkreise), verunreinigte Diamanten, Photonen (Lichtteilchen) und noch einige mehr. Alle Plattformen haben ihre Vor- und Nachteile und alle sind Teil der aktuellen Forschung.

Ist ein Qubit besser als ein Bit?

Nein. Weil die Superposition beim Auslesen kaputt geht, reduziert sich ein Qubit nach der Messung auf ein Bit und ist damit kein Deut besser.

Vom Qubit zum Quantencomputer

Alles darüber, was man für einen Quantencomputer braucht und was ihn so mächtig macht.

Was macht einen Quantencomputer so mächtig?
oder: Was ist Quanten-Parallelismus?

Der Zustand eines Qubits kann vom Zustand eines anderen Qubits abhängen, im Gegensatz zu normalen Bits. Diese Eigenschaft heißt Verschränkung und ist die Grundlage für Quantencomputer. Diese gegenseitige Abhängigkeit führt dazu, dass N Qubits in 2^N verschiedenen Zuständen sein können – und das gleichzeitig. Verändert man den Zustand eines einzigen Qubits bemerken dies alle anderen Qubits des Quantencomputers – das nennen wir Quanten-Parallelismus.

Kann ein Quantencomputer jedes Problem in einem Schritt lösen?

Nein. Der Quanten-Parallelismus erweckt den Anschein, man könnte verschiedene Ausgangsituationen überlagen und gleichzeitig durchrechnen. Das führt im Allgemeinen zu einem stark verschränkten Endzustand, der bei der Messung kaputt geht. Wir müssen also sicherstellen, dass sich die Qubits am Ende einer Rechnung in einem eindeutigem Zustand befinden, den wir auslesen können, ohne Informationen zu verlieren.

Was braucht man für einen Quantencomputer?

Der Physiker David DiVincenzo hat fünf Regeln aufgestellt, die ein Quantencomputer erfüllen muss. Diese lauten:

1. Wir brauchen eine gewisse Menge an Qubits, also Quantensystemen aus zwei gut trennbaren Zuständen.
2. Wir müssen jedes Qubit in einen festgelegten Anfangszustand bringen können.
3. Die Qubits müssen lang genug stabil sein, um die Operationen auszuführen.
4. Wir müssen in der Lage sein, alle notwendigen Rechenoperationen an den Qubits auszuführen.
5. Wir müssen die Qubits auslesen können.

Warum ist es so schwierig einen Quantencomputer zu bauen?

Es gibt viele Schwierigkeiten, die alle damit zusammenhängen, dass Quantensysteme super empfindlich sind und schnell kaputt gehen. Die größten Probleme sind die Stabilität (Qubits dürfen nicht zerfallen, bevor die Rechnung zu Ende ist), Kontrolle (Wir müssen die Entwicklung von Qubits steuern können) und Skalierbarkeit (Wir müssen viele Qubits zu einem Quantencomputer zusammensetzten und alle einzeln und paarweise ansprechen können) von Qubits.

Vom klassischen zum Quantencomputer

Alles über die Unterschiede und Gemeinsamkeiten von klassischen und Quantencomputern.

Rechnen Quantencomputer genauso wie klassische Computer?

Theoretisch können wir Quantencomputer (fast) genauso benutzen wie normale Computer. Das wäre aber dumm, weil Quantencomputer viel fehleranfälliger und schwerer zu bauen sind. Quantencomputer können klassischen Computer nur dann übertrumpfen, wenn wir ein passendes „Rezept“ haben, das ein Problem mithilfe von Quantenpower klüger löst. Diese Rezepte nennen wir Quantenalgorithmen.

Wie funktionieren Quantenalgorithmen?

Quantenalgorithmen basieren im Allgemeinen auf konstruktiver und destruktiver Interferenz. Wir wollen Materiewellen (zum Beispiel Elektronen) so überlagern, dass sich die falschen Lösungen wegmitteln und am Ende nur noch die richtige Lösung übrig bleibt. Ein Beispiel ist der Grover-Algorithmus, der zeigt, wie man mithilfe von Quantencomputern Suchprobleme schneller lösen können. Der Shor-Algorithmus ist in der Lage, große Zahlen schneller in ihre Primfaktoren zu zerlegen.

Was können Quantencomputer besser als normale?

Grob gesagt sind Quantencomputer normalen immer dann überlegen, wenn man die Lösung nur durch bloßes Raten und Ausprobieren finden könnte. Etwas spezifischer können Quantencomputer genau die Probleme schneller lösen, für die wir Quantenalgorithmen haben. Eine Sache, die Quantencomputer können, wozu normale Computer aber nicht fähig sind, ist die Erzeugung von Zufallszahlen.

Was können normale Computer besser als Quantencomputer?

Alles Andere. Ohne Quantenalgorithmen sind Quantencomputer kein bisschen besser als normale, in der Regel sogar schlechter. Eine Sache, die Quantencomputer tatsächlich gar nicht können, ist kopieren. Dem No-Cloning-Theorem nach ist es unmöglich beliebige Quantenzustände zu kopieren. Genau diese Eigenschaft macht sich aber die Quantenkryptographie zunutze.

Wie viele Qubits hat ein Quantencomputer?

Aktuelle Geräte von zum Beispiel Google und IBM haben um die 70 verrauscht Qubits. Um aber harte Probleme zu lösen, wie zum Beispiel moderne Verschlüsselung, braucht man jedoch 4000 perfekte Qubits.

Gibt es Quantencomputer nicht schon?

Ja, aber nicht die Wundermaschinen, die sich jeder wünscht. Adiabatische Quantencomputer von zum Beispiel D-Wave basieren auf einem anderen Prinzip und sind dafür geeignet Optimierungsprobleme zu lösen, statt Quantenalgorithmen auszuführen. Andere Geräte, wie die Quantencomputer von IBM und Google, sind noch sehr fehleranfällig. Dies nennen wir NISQ-Ära, für Noisy Intermediate Scale Quantum, da die Anzahl der Qubits zwar schon ganz gut ist, aber sie noch zu sehr verrauscht sind. Zuletzt gibt es Cloud-basierte Quantencomputer, die ebenfalls in den NISQ-Bereich fallen, aber von Unternehmen öffentlich über das Internet zugänglich gemacht wurden.

Wann wird es Quantencomputer für zu Hause geben?

Heim-Quantencomputer sind nicht das Ziel der aktuellen Forschung, da wir zu Hause keine Verwendung dafür hätten. Wir befinden uns noch in der Forschungsphase und sind selbst von der industriellen Fertigung noch weit entfernt. Vielleicht wird es sie nie für zu Hause geben, vielleicht wird es aber üblich per Cloud auf Quantencomputer zuzugreifen.

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In diesem Artikel habe ich über den Quantencomputer gesprochen, der nur eine von vielen Quantentechnologien ist. Vielleicht interessiert dich auch der Artikel zur zweiten Quantenrevolution. Gefällt dir was du liest? Dann abonnier meinen Blog und verpass keinen neuen Beitrag mehr, oder, wenn du möchtest, kannst du mir hier einen Kaffee spendieren!

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