Sind Quantencomputer wirklich besser als klassische Computer?
Posted by Julia Werner •
Vorteile und Nachteile von Quantencomputing in Bezug auf Digital Marketing
Quantencomputer werden gerne vorschnell als revolutionäre Entwicklung, die die Welt verändern wird, klassifiziert. Das ist nur die halbe Wahrheit. Tatsächlich können die besonderen Rechner in einigen Bereichen noch nie gekannte Höchstleistungen erbringen. Das trifft aber nicht auf alle Arten von Berechnungen zu. Außerdem sind Quantencomputer immer nur so gut wie die von ihnen ausgeführte Software – und die steckt gerade noch in den Kinderschuhen.
Die wichtigsten Vorteile und Stärken von Quantencomputern
Richtig angewendet sind Quantencomputer unglaublich schnell und effektiv. Sie können in wenigen Sekunden Berechnungen ausführen, für die heutige Supercomputer Jahrzehnte oder sogar Jahrtausende benötigen würden. Dieser Sachverhalt wird von Experten auch als Quantenüberlegenheit bezeichnet. Lange Zeit handelte es sich dabei nur um eine Theorie. 2019 konnte der Quantencomputer-Protoyp von Google jedoch eine solche Berechnung durchführen und die Quantenüberlegenheit in der Praxis verifizieren.
Besonders vielversprechend sind Berechnungen mit Quantencomputern überall dort, wo unglaublich komplexe Vorgänge mit riesigen Datenmengen analysiert oder simuliert werden sollen. Neben dem digitalen Marketing sehen hier vor allem die naturwissenschaftlichen Disziplinen ein großes Potential. Quantencomputer könnten dazu beitragen, die Interaktion einzelner Teilchen, Elemente und die Vorgänge in lebendigen Zellen besser und detaillierter zu verstehen. Aber auch in der Medizin gibt es Anwendungsmöglichkeiten.
Am meisten hoffen Forscher, dass Quantencomputer künstliche Intelligenzen (KI) einen großen Schritt voranbringen werden. Diese könnten dann in Zukunft Aufgaben wie Datenauswertungen oder Prognosen sicher und zuverlässig übernehmen.
Vorsicht: Diese Nachteile und Schwächen birgt die neue Technologie
Bei derzeitigen Quantencomputern handelt es größtenteils um Prototypen, die noch unhandlich, kompliziert und teuer sind. Gleichzeitig haben sie noch viele Kinderkrankheiten, die ihre Entwickler bisher nicht vollständig in den Griff bekommen konnten. Die Verschränkung vieler Qubits auf einmal gestaltet sich derzeit ebenso schwierig wie das Aufrechterhalten des nötigen Zustands für Quantenoperationen. Gleichzeitig kämpfen die Entwickler der Systeme mit einer noch viel zu hohen Fehlerrate.
Aber selbst wenn Quantencomputer irgendwann perfekt wären, haben sie nicht nur Vorteile. Durch ihre unvergleichbare Rechenleistung wären alle derzeit genutzten Verschlüsselungsmechanismen von heute auf morgen nutzlos. Sichere Kommunikation oder jegliche Art von Transaktion über das Internet könnte geknackt und die Daten missbraucht oder weiterverkauft werden. Auch viele Crypto-Währungen wären nicht mehr sicher und anonym. Damit es nicht soweit kommt, arbeiten Forscher schon heute an der sogenannten Post-Quantum-Kryptographie. Mit neuen Methoden soll auch in Zukunft sichere Kommunikation möglich sein.
Hier seht ihr die gesamte Blogreihe "Wie Quantencomputer Digitales Marketing revolutionieren werden"
Quantencomputer: Was von ihnen zu erwarten ist und was nicht
Die neusten Entwicklungen Quantencomputer: China präsentiert einen Rechner, der herkömmlichen Computern haushoch überlegen ist. Allerdings kann er nur eines gut Quantencomputer sorgen wahlweise für Euphorie oder für Besorgnis. Beides ist unangebracht. Wir sagen Ihnen, was diese Rechner heute schon können und was in den nächsten Jahren realistischerweise von ihnen zu erwarten ist.
Der Quantencomputer, mit dem die chinesischen Forscher das Boson-Sampling-Problem gelöst haben, besteht aus unzähligen optischen Komponenten. Hansen Zhong
Die neuesten Entwicklungen
Chinesische Forscher haben mit einem Quantencomputer in 200 Sekunden ein Problem gelöst, das mit herkömmlichen Computern wohl nie zu knacken sein wird. Wie die Gruppe um Jian-Wei Pan Anfang Dezember im Wissenschaftsmagazin «Science» dargelegt hat, würde der beste chinesische Supercomputer für die Berechnung 2,5 Milliarden Jahre benötigen. Damit ist der Quantencomputer um einen Faktor 1014 im Vorteil.
Sind Quantencomputer wirklich besser als klassische Computer?
Schöne Quantenprozesse sind kompliziert
Doch Jozsa und andere Forscher stießen auch auf viele Beispiele dafür, dass es umgekehrt sein könnte. »Es zeigte sich, dass viele schöne Quantenprozesse zwar aussehen, als ob sie kompliziert wären« – und deshalb nur schwer auf klassischen Computern zu simulieren sind, sagt Jozsa. »Aber mit geschickten, raffinierten mathematischen Methoden lässt sich herausfinden, was diese Prozesse machen.« Jozsa und seinen Kollegen gelang es mit diesen Verfahren, eine überraschend große Anzahl von Quantenschaltkreisen effizient zu simulieren – oder zu »dequantisieren«, wie Calude es ausdrücken würde. Das gilt beispielsweise für Schaltkreise, die ohne Verschränkung arbeiten und für solche, die nur eine begrenzte Anzahl ihrer Qubits verschränken oder nur bestimmte Arten von Gattern zur Verschränkung nutzen.
Was ist dann aber der Grund dafür, dass der Algorithmus von Shor so einzigartig leistungsstark ist? »Das ist immer noch eine offene Frage«, gesteht Jozsa. »Wir konnten bislang nicht herausfinden, warum einige Algorithmen sich leicht klassisch simulieren lassen, andere nicht. Offensichtlich ist Verschränkung wichtig, aber das ist nicht alles.« Und einige Experten warfen die Frage auf, ob nicht viele der vermeintlich überlegenen Quantenalgorithmen in Wahrheit ganz gewöhnlich sein könnten.
Noch bis vor Kurzem war das Streben nach höherer Leistungsfähigkeit bei Quantenalgorithmen eher abstrakter Natur. »Wir haben uns keine großen Gedanken über die Implementierung unserer Algorithmen gemacht, weil niemand ernsthaft daran geglaubt hat, dass wir in der vorhersehbaren Zukunft einen Quantencomputer zur Verfügung hätten«, urteilt Jozsa. Um Shors Algorithmus auf ganze Zahlen anzuwenden, die groß genug sind, um eine 128-Bit-Verschlüsselung zu knacken, wären Tausende von Qubits nötig – sowie vermutlich viele tausend weitere für die Fehlerkorrektur. Dabei hatten die Experimentatoren immer noch genug damit zu tun, auch nur eine Hand voll Qubits unter Kontrolle zu bringen.
Ringen um die richtige Stichprobe
Doch im Jahr 2011 begann sich die Lage zu ändern. Im Herbst spekulierte Preskill auf einer Tagung in Brüssel, dass »der Tag, an dem ein gut kontrolliertes Quantensystem Aufgaben erfüllen kann, die die Möglichkeiten klassischer Systeme übertreffen«, nicht mehr allzu fern sei. Jüngste Laborergebnisse, so der Forscher weiter, könnten schon bald zu Quantenmaschinen mit etwa 100 Qubits führen. Und mit diesen eine »überklassische« Aufgabe durchzuführen, wäre nicht undenkbar. Andererseits: Obwohl der kommerzielle Quantenprozessor von D-Wave Systems damals 128 Qubits umfasste und heute sogar mit über 2000 Qubits arbeitet, nimmt er nur sehr spezielle Optimierungsprobleme in Angriff. Viele Experten bezweifeln, dass sich damit klassische Computer übertreffen lassen.
»Ich habe lediglich versucht hervorzuheben, dass wir nahe dran sind – dass wir schon bald tatsächlich jenen Meilenstein der menschlichen Zivilisation erreichen könnten, ab dem die Quantentechnologie die leistungsstärkste Informationstechnologie ist, die wir zur Verfügung haben«, erläutert Preskill seine Absicht. Er taufte diesen Meilenstein »Quantenüberlegenheit« (engl.: quantum supremacy). Diese Bezeichnung – und sein Optimismus – blieben haften. »Es entwickelte einen von mir nicht erwarteten Schwung.«
© Tamiko Thiel 1984 / Richard Feynman / CC BY-SA 3.0 CC BY-SA (Ausschnitt) Richard Feynman im Jahr 1984 | Der Physiker Richard Feynman kam in den 1980er Jahren zuerst auf die Idee von Quantencomputern. »Zum Donnerwetter, es ist ein wundervolles Problem«, witzelte er, »denn es sieht keineswegs einfach aus.«
Die Aufregung um die Quantenüberlegenheit spiegelte die wachsende Begeisterung wider, die in dem Forschungsgebiet herrschte – über den experimentellen Fortschritt, aber mehr noch über eine ganze Reihe theoretischer Durchbrüche. Den ersten davon präsentierten 2004 die IBM-Physiker Barbara Terhal und David DiVincenzo. Bei ihrem Versuch, die Vorteile von Quantenrechnern zu verstehen, hatte sich das Forscherduo mit einer Klasse einfacher Quantenrätsel befasst, die als Stichprobenprobleme oder geläufiger mit dem englischen Begriff »Sampling-Problems« bezeichnet werden. Mit der Zeit wurden diese Probleme zur größten Hoffnung der Experimentatoren: Mit Hilfe solcher Rechnungen hofften sie, zweifelsfrei die Überlegenheit der Quantenmaschinen zu demonstrieren.
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