Was ist Quantencomputing?
Quantencomputing wurde zu Beginn der 1980er Jahre von Forschern wie Paul Benioff, Richard Feynman und Yuri Manin entwickelt. Dabei wird das Verhalten von Quantenobjekten wie Photonen genutzt, um bestimmte Aufgaben schneller, einfacher und mit geringerem Energieaufwand zu lösen, als es mit herkömmlichen Computern oder sogar Supercomputern möglich wäre.
Was ist ein Quantencomputer und wie unterscheidet er sich von den heutigen Computersystemen?
Quantencomputing nutzt die Eigenschaften des Quantenbereichs auf der atomaren und subatomaren Ebene, um komplexe Aufgaben zu lösen. Theoretisch könnten große Quantencomputer bestimmte Aufgaben deutlich schneller lösen, als herkömmliche Computer. Beispiele hierfür sind das Entschlüsseln von kryptographischer Verschlüsselung und komplexe Optimierungsprozesse. Derzeit ist diese Technologie jedoch noch längst nicht ausgereift.
Quantenrechner machen sich die Quanteneigenschaften von Elementarteilchen wie Atomen, Elektronen oder Photonen mit Qubits zunutze. Qubits können Zustände annehmen, bei denen sich eine 0 und eine 1 überlagern. Miteinander kombiniert können sie eine große Anzahl von Werten übereinanderlegen.
Was ist ein Quantencomputer, und worin liegt der Unterschied zu den heute gebräuchlichen Computersystemen?
Anstelle des Binärsystems von 0 und 1 der klassischen Datenverarbeitung kommen beim Quantencomputing Qubits zum Einsatz. Deren Zustand kann jederzeit durch eine komplexe Zahl dargestellt werden, die Amplitude. Sie beschreibt die Wahrscheinlichkeit, dass der Zustand des Qubits beim Auslesen 0 oder 1 beträgt. Derzeit geht man davon aus, dass insbesondere große Quantencomputer mit mehreren Tausend oder Millionen Qubits komplexe Aufgaben besser lösen können.
Wie funktioniert ein Quantencomputer und was sind die potenziellen Vorteile des Quantencomputings? Und was ist ein Qubit?
Ein Qubit kann jedes quantenmechanische System mit zwei verschiedenen und steuerbaren Quantenzuständen sein. Beispiele hierfür sind die Polarisation eines Photons, die Energiestufe eines Atoms oder der Spin eines Elektrons. Qubits können mehr Zustände annehmen, als Standard-Bits. Daher ist ein Quantencomputer in der Lage, viel mehr Informationen pro Qubit zu verarbeiten, als es ein klassischer Computer pro Bit vermag. So bilden 1024 Bits beispielsweise 128 Byte RAM. Denselben Effekt erzielen lediglich 10 Qubit. Ein Quantencomputer mit 1.000 Qubits könnte 21.000 verschiedene Zahlen verarbeiten.
Wozu eignen sich Quantencomputer?
Was ist mit Quantencomputern also potenziell möglich? Quantencomputer werden herkömmliche Computer oder Supercomputer wohl nicht ersetzen. Einige Arten von Aufgaben mit hohen Rechenanforderungen können sie unter Umständen besser bearbeiten; sie unterscheiden sich in Aussehen und Funktionsweise jedoch stark von den bekannten Geräten. Für viele Vorgänge bleiben die herkömmlichen Computer die beste Lösung. Vorteile bieten Quantencomputer möglicherweise für Aufgaben wie:
Kryptographie
Der von Peter Shor 1994 entwickelte und nach ihm benannte Algorithmus ist ein Quantenalgorithmus zur Bestimmung der Primfaktoren eines Integers, also einer ganzen Zahl. Eine solche Aufgabe können die üblichen Computer heute in keinem praktikablen Zeitrahmen für große Integer lösen. Publik Key-Verschlüsselungssysteme machen sich dies zunutze und erstellen öffentliche Schlüssel für die Datenverschlüsselung von E-Mails, Online-Finanztransaktionen und anderen sicheren Kommunikationsarten wie VPNs und SSH. Der Public Key ist ein Produkt zweier sehr großer Primzahlen, die nur dem ausgewählten Empfänger bekannt sind. Theoretisch könnte niemand diese Primzahlen errechnen und die Daten entschlüsseln.
Der Algorithmus von Shor zeigt, dass Quantencomputer mit der entsprechenden Leistung die heutigen asymmetrischen Kryptosysteme mit ihren öffentlichen Schlüsseln jedoch durchaus entschlüsseln können. Deshalb wird nun verstärkt nach Möglichkeiten geforscht, Daten durch Quantenkryptographie besser zu schützen.
Optimierung
Was kann ein Quantencomputer noch, außer kryptografische Systeme zu entschlüsseln? Mit der adäquaten Leistungsfähigkeit ausgestattet können Quantencomputer bei der Suche nach optimalen Lösungen für bestimmte Probleme helfen. Mit ihnen lassen sich beispielsweise Modelle der wahrscheinlichsten Pfade für subatomare Partikel in der Hochenergiephysik erstellen. Quantencomputer könnten auch das „Problem des Handlungsreisenden“ (Traveling Salesperson Problem, TSP) lösen. Hier wird der kürzeste Weg gesucht, um mehrere Zielpunkte anzulaufen. Damit würden große Fortschritte in der Big Data-Technologie möglich.
Machine Learning
Mit dem Potenzial für Optimierung der Quantencomputer ließen sich unter Verwendung von Quantencomputern bessere Modelle für Machine Learning und Deep Learning erstellen, die eine geringere Fehlerquote aufweisen.
Weitere Anwendungen
Die Anwendungsmöglichkeiten für Quantencomputer sind vielfältig, darunter fällt auch die Entwicklung neuer Arzneimittel oder die Optimierung von Prozessen im Finanzsektor. Dabei geht es um Potenzial. Ganz eindeutig sind Quantencomputer bei einigen Anwendungen den klassischen Computern überlegen. Die Herausforderung besteht darin, einen skalierbaren Quantencomputer zu bauen. Nach heutigem Stand sind Quantencomputer noch nicht praktisch einsetzbar für die Aufgaben, die herkömmliche Computer bereits lösen können, ganz zu schweigen von Anwendungen, die diese selbst nicht bewältigen können.
Wie ist der Stand der Technik beim Quantencomputing?
Auf dem Gebiet des Quantencomputing schien es 2019 einen großen Fortschritt zu geben; ein durchgestochenes Forschungspapier besagte, dass der Quantencomputer „Sycamore“ von Google die Quantenüberlegenheit erreicht hatte. Dieser Begriff drückt aus, dass Quantencomputer eine Aufgabe schnell lösen können, für die herkömmliche Computer eine unpraktikabel lange Zeit bräuchten.
Im November 2021 wurde ein Gerät mit einem 127-Qubit-Prozessor angekündigt, das erste mit über 100 Qubits.
Welche Herausforderungen bestehen bei der Entwicklung von Quantencomputern?
Als die größten Hindernisse werden Rauschen und Dekohärenz bezeichnet. Wenn ein Quantenpartikel nicht von der Umgebung isoliert ist, kann jede unerwünschte Interaktion, selbst eine Messung, dazu führen, dass es zu einem simplen Bit mit einem einfachen Wert von 0 oder 1 wird. Rauschen und Dekohärenz sind folgenschwer: Qubits haben eine sehr geringe Lebensdauer, bei supraleitenden Qubits sind es derzeit etwa 100 µs. Innerhalb dieser Zeit können nur wenige Quantengatter ausgeführt werden.
Qubit-Rauschen und Dekohärenz machen die Verwendung von Quantenfehlerkorrekturcodes (quantum error correction codes, QECC) notwendig. Sie fassen mehrere physische Qubits zu logischen Qubits zusammen, die eine viel niedrigere Fehlerrate und längere Lebensdauer aufweisen. Konzepte mit QECC wurden bereits in kleinen Labors erprobt, ihre praktische Anwendung bleibt jedoch eine Herausforderung. Zum einen ist es kompliziert, die Anzahl der Qubits jeglichen Typs hochzuskalieren. Es kann bis zu tausend physische Qubits erfordern, einen einzelnen logischen Qubit zu erstellen. Wiederum mindestens 100 logische Qubits sind notwendig für einen nützlichen Quantencomputer. Also handelt es sich um ein System von 100.000 physischen Qubits. Derzeit liegt die Forschung bei ungefähr 100.
Quantencomputing: Rummel und Realität
Auf Quantenebene zeigen Objekte ein ungewohntes Verhalten: Quantenobjekte verhalten sich gleichzeitig wie Wellen und wie Partikel. Wenn man ein Quantenobjekt misst, verliert es dabei seine Wellenfunktion. Dem Beobachter zeigt es sich dann als Partikel. Quantenobjekte können auch mehrere Zustände gleichzeitig annehmen, es kommt zur sogenannten Überlagerung. Außerdem können sie sich mit anderen Quantenobjekten verschränken.
Was bedeutet nun Quantenverschränkung? Dieser Begriff drückt aus, dass das Messen eines Objekts auch eine Wirkung auf das damit verschränkte Objekt hat, selbst wenn beide weit voneinander entfernt sind. Die Zustände verschränkter Quantenobjekte hängen miteinander zusammen, dabei sind sie jedoch zufällig.
Es ist schwierig, diese Verhaltensweisen zu verstehen und zu erklären. Daher werden sie oft stark vereinfacht dargestellt. Zum Beispiel ist die Aussage unrichtig, ein Qubit sei „gleichzeitig 0 und 1“. Auch sind Quantencomputer wahrscheinlich nicht immer besser und schneller als die bekannten Computer. Für einige Aufgaben sind die herkömmlichen Computer nach wie vor die bessere Option. Quantencomputer haben zwar ihre Stärken, z. B. beim Entschlüsseln von Verschlüsselungen. Jedoch ist die Forschung weit davon entfernt, ein solches Gerät zu bauen.
Die heutigen Quantencomputer stellen bereits einen bedeutenden Fortschritt im Vergleich zu früheren Geräten dar. Nun müssen sie ihre Fähigkeit unter Beweis stellen, praktische Aufgaben zu lösen.
Welche Zukunft hat Quantencomputing? Viele Forscher und Branchenanbieter arbeiten an den nächsten Etappen. Die nächste Generation von Fachleuten und Programmierern für Quantencomputing soll nun ausgebildet werden. Die technischen Fortschritte auf dem Gebiet des Quantencomputing werden wahrscheinlich die Innovation in weiteren Bereichen antreiben, darunter Cloud Storage und Data Mining.
OVHcloud und Quantencomputing
Durch die Cloud macht OVHcloud verschiedenste Technologien für Entwickler zugänglich. Konkret erfolgt dies durch Partnerschaften mit Quanten-Startups wie Pasqal und Quandela sowie mit Akteuren wie Atos. Emulation, Simulation und QPU (quantum processing unit) bieten ein breites Spektrum an Möglichkeiten und tragen zum Aufbau eines kohärenten europäischen Quantenökosystems bei.
„OVHcloud kann einen Beitrag zum Aufbau eines kohärenten europäischen Quantenökosystems leisten.“
Octave Klaba, Gründer & Vorstandsvorsitzender, OVHcloud
Durch unsere Partnerschaft steht der Quantenemulator von Atos unseren Nutzern als Service zur Verfügung. Wir wollen den Zugang zu Quantenemulationstechnologien verbessern: für Forschungslabore, Universitäten, Startups und große Unternehmen, die Quantensoftware entwickeln und innovative Anwendungen erproben möchten, noch bevor sie auf den Markt kommen.
Durch die Technologie von Atos ist OVHcloud in der Lage, Lösungen mit Quantencomputing in Kombination mit Jupyter Notebooks anzubieten. So erhalten Entwickler einfachen Zugang und können auf der Arbeit der AI-Teams von OVHcloud aufbauen.
Erfahren Sie mehr in der Ankündigung zu Quantencomputing von Atos und OVHcloud.
Octave Klaba in
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