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Quantencomputer: Wenn 0 und 1 nicht mehr genug sind

Selbst Einstein würde vor Freude Pirouetten drehen. Wer hätte seinerzeit auch ahnen können, dass es dereinst Computer geben wird, die die Gesetze der Physik auf den Kopf stellen.

Quantencomputing ist tatsächlich ein Bereich, der nicht nur die Wissenschaft, sondern auch die Industrie in Atem hält, und es gibt viele spannende Entwicklungen, die in den nächsten Jahren enorm an Bedeutung gewinnen werden.

Was ist Quantencomputing?

Quantencomputing ist eine Art der Rechnungstechnik, die auf den Prinzipien der Quantenmechanik basiert. Im Gegensatz zu klassischen Computern, die Bits (0 oder 1) verwenden, nutzen Quantencomputer Qubits (Quantenbits), die sowohl 0 als auch 1 gleichzeitig darstellen können – ein Phänomen, das Superposition genannt wird. Zudem können Qubits durch ein anderes quantenmechanisches Phänomen namens Verschränkung miteinander verbunden sein, was es ermöglicht, dass der Zustand eines Qubits den Zustand eines anderen beeinflusst, unabhängig von ihrer räumlichen Entfernung. Sience-Fiction-Fans denken hier gleich an Zeitreisen - tatsächlich geht es in diese Richtung, auch wenn die bisherigen Erkenntnisse rein theoretischer Natur sind. Aber das war das Fliegen vor 150 Jahren auch.

Viele der Global Player, die mit Computertechnik und Internet Milliarden verdient haben, investieren viel Geld in Forschung und Entwicklung im Bereich Quantencomputing. Der aktuelle Stand der Forschung und Technik verdient deshalb eine nähere Betrachtung und da zeichnen sich einige interessante Entwicklungen ab.

In der Wikipedia wird die Technologie ausführlich beschrieben - es ist spannende Lektüre!

1. Technologische Ansätze

Derzeit gibt es verschiedene Technologien, die zur Realisierung von Qubits eingesetzt werden:

• Superleiterqubits: Diese sind derzeit der am weitesten fortgeschrittene Ansatz. Firmen wie Google, IBM und Rigetti Computing setzen sie ein.
• Ionenfallen: Hier werden ionisierte Atome in elektrischen Feldern gefangen und manipuliert. Firma wie IonQ arbeiten mit dieser Technologie.
• Topologische Qubits: Microsoft forscht an diesem Ansatz, der besonders robust gegen Störungen sein soll.
• Photonische Qubits: Diese Qubits basieren auf Photonen (Lichtteilchen) und werden von Unternehmen wie Xanadu Quantum Technologies entwickelt.

2. Fortschritte in der Qubit-Anzahl

Die Anzahl der Qubits, die ein Quantencomputer verarbeiten kann, ist ein wichtiger Indikator für seine Leistung. Aktuell liegen die besten Systeme bei etwa 50-100 Qubits. Zum Beispiel hat IBM im Oktober 2022 einen 433-Qubit-Quantenprozessor vorgestellt, der als einer der leistungsstärksten derzeitigen Quantencomputer gilt.

3. Fehlerkorrektur und Stabilität

Eines der größten Herausforderungen ist die Fehlerkorrektur. Qubits sind sehr empfindlich gegenüber Störungen, was zu Fehlern führen kann. Die Fehler entstehen im System selbst, etwa durch infolge von Dekohärenz und sogenanntem Quantenrauschen. Deshalb arbeiten Wissenschaftler intensiv an Methoden, um diese Fehler zu minimieren und korrigieren. Ein bedeutender Meilenstein wäre der Bau eines logischen Qubits, das aus vielen physischen Qubits besteht und robust gegen Fehler ist. Aush hier weiß die Wikipedia mehr darüber, aber vorsicht, das ist harte Kost.

Konkrete Anwendungen der Quantentechnologie

Es wird noch ein wenig Zeit ins Land gehen, bis konkrete Anwendungen mit  der bahnbrechenden technologie möglich sind, insbesondere außerhalb von Forschung und Wissenschaft. Dennoch sehen viele Technologieunternehmen das Potenzial, mit Quantencomputing in vielen Bereichen, in denen heute herkömmliche Rechentechnik zum Einsatz kommt, revolutionäre Veränderungen voranzubringen:

1. Kryptographie: Quantencomputer könnten bestimmte kryptografische Algorithmen, die derzeit als sicher gelten, effektiv knacken. Dies hat zur Entwicklung von Quantenresistenten Kryptographieverfahren geführt, die auch in der Post-Quanten-Welt sicher bleiben sollen.
2. Optimierung: Probleme der Optimierung, wie z.B. das Travelling Salesman Problem, können mit Quantencomputern viel effizienter gelöst werden. Dies hat Anwendungen in Logistik, Finanzdienstleistungen und anderen Bereichen.
3. Molekulardesign: Quantencomputing kann helfen, komplexe Moleküle zu simulieren und neue Materialien zu entdecken oder Medikamente zu entwickeln. Dies ist besonders relevant für die Pharmaindustrie und Materialwissenschaften.
4. Maschinelles Lernen: Quantenalgorithmen könnten die Effizienz von maschinellem Lernen erheblich verbessern, was zu schnelleren Trainingszeiten und präziseren Modellen führen könnte.

Akteure und Mitbewerber

Wie obe bereits erwähnt, investieren große Technologiefirmen erhebliche Summen in die Forschung und wollen das Thema Quantencomputing vorantreiben.

1. IBM ist einer der führenden Akteure im Quantencomputing. Sie haben eine klare Roadmap vorgelegt, die bis 2023 ein 1000-Qubit-System vorsieht. IBM bietet auch Cloud-basierte Zugriffsmöglichkeiten auf ihre Quantencomputer, was die Forschung und Entwicklung in diesem Bereich stark voranbringt.
2. Google erreichte im Jahr 2019 den Quantensupremacy-Meilenstein, indem sie ein Problem lösten, das einem klassischen Supercomputer Milliarden von Jahren gekostet hätte. Sie arbeiten kontinuierlich daran, ihre Qubit-Anzahl und die Stabilität ihrer Systeme zu verbessern.
3. Microsoft setzt auf topologische Qubits und hat eine umfassende Software-Plattform namens Azure Quantum entwickelt, die Entwicklern Zugang zu verschiedenen Quantencomputern und Simulatoren bietet.
4. Rigetti Computing arbeitet an skalierbaren Quantencomputern und hat eine Cloud-Plattform namens Quantum Cloud Services (QCS) entwickelt, die Unternehmen und Forscher mit Quantencomputing-Technologien versorgt.
5. IonQ verwendet Ionenfallen und hat eine hohe Genauigkeit bei der Qubit-Manipulation erzielt. Sie arbeiten eng mit Cloud-Dienstleistern zusammen, um ihren Zugriff auf Quantencomputing zu erleichtern.

Zukunftsaussichten

Die Frage, wie lange es noch dauert, bis konkrete Anwendungen allgemein verfügbar sind, ist schwierig zu beantworten. Viele Experten gehen davon aus, dass es noch einige Jahre, wenn nicht Jahrzehnte dauern wird, bis Quantencomputer in der Lage sind, breit angelegte industrielle Anwendungen zu unterstützen. Dennoch sind die Fortschritte rapide, und es gibt bereits einige spezialisierte Anwendungen, die in den kommenden Jahren realistisch erscheinen.

Quantencomputing ist ein faszinierendes und dynamisches Feld, das enorme Potenziale in vielen Bereichen bietet, insbesondere wenn es darum geht, die Art und Weise, wie wir Probleme lösen und Berechnungen durchführen, zu revolutionieren. Obwohl es noch viele technische Herausforderungen zu bewältigen gibt, sind die Fortschritte beeindruckend. Akteure wie IBM, Google, Microsoft, Rigetti Computing und IonQ treiben die Entwicklung voran und legen die Grundlagen für eine zukünftige Quantenrevolution.

28.10.2024