aha – Tipps & Infos für junge Leute - Quantencomputer - Die nächste Generation von Computern - aha

Jeder hat sicher schon mal von Quantencomputern gehört, doch nur die Wenigsten wissen, was genau dahintersteckt. Was genau ist ein Quantencomputer? Was kann er? Was sind die Risiken und Chancen? Und wann können wir ihn nutzen? Diese und weitere Fragen möchte ich in diesem Artikel beantworten.

aha-Jugendreporter Severin

Was ist ein Quantencomputer?

Ein Quantencomputer ist ein sehr leistungsstarker Rechner. Er rechnet millionenfach schneller als jeder herkömmliche PC von heute. Das Ganze ist möglich, weil ein Quantencomputer anders als klassische Computer die abstrusen Gesetze der Quantenmechanik nutzt und darum unzählige Rechnungen gleichzeitig durchführen kann. Quantencomputer können so theoretisch viele Probleme der heutigen Informatik effizienter lösen, sie bringen jedoch auch Risiken mit sich, die ich später noch ansprechen werde.

Wie funktioniert er?

Um das Prinzip eines Quantencomputers genauer zu verstehen können, müssen wir uns zwei Gesetze der Quantenmechanik genauer anschauen. Nämlich das Superpositionsprinzip und die Quantenverschränkung, denn genau auf diesen zwei Prinzipien basieren Quantencomputer.

Die Superposition ist die Fähigkeit eines Quantensystems, sich bis zur Messung in mehreren Zuständen gleichzeitig zu befinden. Doch beim Zeitpunkt der Messung selbst, kann es nur einen Zustand geben. Um dies zu veranschaulichen, hilft das Gedankenexperiment „Schrödingers Katze“. Sperrt man eine Katze in einem Karton ein und wartet eine Weile, so kann die Katze im Karton noch lebendig oder schon tot sein, sie ist gleichzeitig lebendig und tot. Wenn wir den Karton nun öffnen, kann die Katze nur noch einen Zustand haben. Entweder lebendig oder tot. Die Quantengesetze gelten für Atome, das bedeutet, wenn man das Superpositionsprinzip bei Atomen ausnutzt, so kann man unzählige Berechnungen gleichzeitig durchführen.

Die Quantenverschränkung, von Albert Einstein auch „Spukhafte Fernwirkung“ genannt, ist das Phänomen, dass zwei räumlich voneinander getrennte Teilchen Informationen über ihre Eigenschaften ohne Zeitverzögerung austauschen können. Diese Informationenübertragung funktioniert auch über riesige Distanzen. Zum Beispiel, wenn sich ein Teilchen auf dem Mars und eines auf der Erde befindet. Erst eine Messung an einem verschränkten Teilchen legt sofort den Zustand des anderen Teilchen fest, denn wenn ein Teilchen nicht gemessen wird, so kann es ja viele verschiedene Zustände haben.

Dank diesen beiden Phänomenen funktioniert ein Quantencomputer. Er arbeitet deshalb auch nicht mit Bits wie herkömmliche Computer, sondern mit sogenannten Qubits. Der Unterschied zwischen Bits und Qubits ist, dass sich Bits nur entweder im Zustand Eins oder Null befinden können und Qubits hingegen auch beide Zustände gleichzeitig oder sogar Zwischenzustände annehmen können.

Der Vorteil der Berechnung mit Qubits ist, dass mehr Informationen in viel weniger Qubits als in klassischen Bits verarbeitet werden können. Denn n verschränkte Qubits können gemeinsam 2ⁿ Zahlen beschreiben. Somit steigt die Rechenleistung von Quantencomputern exponentiell mit der Zahl der Qubits. Bei einem klassischen Computer steigt die Rechenleistung höchstens linear. Das liegt daran, dass beim klassischen Computer alle Berechnungen hintereinander ausgeführt werden müssen, beim Quantencomputer jedoch alle Qubits beim Berechnen gleichzeitig miteinander interagieren.

Um die Funktionsweise genauer zu veranschaulichen, kann man sich ein riesiges Labyrinth mit nur wenigen Ausgängen vorstellen. Müsste man nun jeden Weg einzeln testen, so würde es ewig dauern, bis man den Ausgang findet, doch genau so würden es unsere heutigen PCs machen. Ein Quantencomputer hingegen würde alle Wege gleichzeitig absuchen und so viel schneller den Ausgang finden.

Welche Chancen und Risiken bringen sie uns?

Heute sind Quantencomputer fast nur in Forschungsbetrieben zu finden. Es gibt erst einzelne kommerziell Nutzbare Quantencomputer, die jedoch sehr viel Geld kosten. Trotzdem gibt es unzählige Einsatzgebiete für Quantencomputer in der Zukunft. Mithilfe dieser Technologie sollen neue Durchbrüche zum Beispiel in der Entwicklung neuer Medikamente, bei der Analyse komplexer Zusammenhänge der Klimakrise oder auch bei der Effizienzsteigerung in der Landwirtschaft erreicht werden. Ausserdem könnte er dank seiner hohen Rechenleistung besonders rechenintensive Probleme lösen. Dazu gehört zum Beispiel die Optimierung vieler Prozesse und Algorithmen, sowie auch die Verbesserung von künstlicher Intelligenz.

Eine Gefahr durch Quantencomputer liegt im Bereich der IT-Sicherheit. Moderne Verschlüsselungsverfahren basieren häufig auf Zahlen- und Ziffernkombinationen, welche mit einem Sicherheitsschlüssel entschlüsselt werden können. Je mehr Kombinationsmöglichkeiten ein Schlüssel aufweist, desto rechenintensiver und zeitaufwändiger ist es für die heutigen Computer, diesen zu entschlüsseln. Vor normalen Computern sind gute Verschlüsselungsverfahren demnach sicher. Ein Quantencomputer hingegen, welcher alle Kombinationen gleichzeitig ausprobieren kann, für den ist das natürlich ein leichtes Spiel. Heute als unknackbar geltende Verschlüsselungsalgorithmen wären auf einmal nicht mehr sicher. Es müssten also neue Verschlüsselungsverfahren her. Doch auch damit beschäftigt sich die Wissenschaft schon. Hier wird vor allem im Bereich der „Quantenkryptografie“ geforscht, welche sich die Quantenmechanik zunutze macht, um Daten sicher zu übertragen.

Ab wann sind Quantencomputer nutzbar

Schon heute sind einzelne Quantencomputer im Handel. Zumindest werden sie so vermarktet. Jedoch fehlen vieler dieser Modelle typische Eigenschaften von Quantencomputer. Ein Startup aus China hat beispielsweise einen Quantencomputer für nur 5‘000 Dollar auf den Markt gebracht. Der Preis ist sehr tief, denn Quantencomputer sind grundsätzlich sehr viel teurer. Dieser bietet jedoch nur 2 Qubits (je mehr Qubits, desto besser) und weist eine relativ hohe Fehlerwahrscheinlichkeit auf. Trotz grosser Fortschritte steckt die Forschung bei Quantencomputern noch ganz am Anfang. Demnach wird es noch eine Weile dauern, bis wir vielleicht einmal einen guten Quantencomputer zuhause stehen haben oder bis sich die Medizinbranche diese starken Computer wirklich zu nutzen machen kann. Man kann aber davon ausgehen, dass in den nächsten Jahren noch viel passieren wird.

Fazit

Ich habe mich mit Quantencomputern beschäftigt, weil ich immer nur davon gehört habe, aber nie wirklich wusste, was sie eigentlich sind und was sie können. Das Wissen, das ich mir angeeignet habe, wollte ich dann in einem ausführlichen, aber dennoch kompakten Text mit euch teilen. Nach allem, was ich gelesen habe, kann ich mir gut vorstellen, dass Quantencomputer in der Zukunft eine grosse Rolle spielen werden. Sie werden vielleicht nicht so schnell meinen Gaming-PC unter dem Tisch ersetzen, in der Industrie oder im Finanzwesen sehe ich jedoch ein riesiges Potenzial. Die einzige Frage, die ich mir noch stelle, ist, ob es den Wissenschaftlern wirklich gelingen wird, einen voll funktionsfähigen und einigermassen kompakten Quantencomputer in die Welt zu setzen. Die Antwort darauf werde ich aber erst in einigen Jahren oder sogar Jahrzehnten haben.