Quantencomputer: Was ist das? Was kann er? Wann kommt er?
Mit Quantencomputern lassen sich komplexe Rechenaufgaben in sehr viel kürzerer Zeit lösen. Noch ist die Entwicklung nicht vollends abgeschlossen. Wir schauen auf den derzeitigen Stand der Forschung und wagen einen Blick in die Zukunft.
Wie weit sind heutige Quantencomputer, was bringt die Zukunft?
Foto: Panthermedia.net/vchalup2
Sie schlagen jeden herkömmlichen PC um Längen, versprechen faszinierende Einsatzmöglichkeiten in zahlreichen Bereichen des täglichen Lebens. Doch was zeichnet Quantencomputer aus? Wir erklären unter anderem: Wie funktioniert ein Quantencomputer? Was können Quantencomputer? Wie schnell sind Quantencomputer? Was ist ein Quant, was ein Qubit? Wo steht Deutschland beim Quantencomputing? Und: Wie teuer ist ein Quantencomputer eigentlich?
Einfach erklärt: Wie funktioniert ein Quantencomputer?
Ein Quantencomputer kann im Gegensatz zu einem gewöhnlichen Computer – stark vereinfacht ausgedrückt – eine Vielzahl von Rechenaufgaben parallel lösen. Der Grund: Quantencomputer arbeiten nicht mit Bits, wie es Laptop, Smartphone und Co. tun – sondern mit sogenannten Qubits. Diese Qubits besitzen einzigartige Eigenschaften, die einen Quantencomputer deutlich schneller machen. So schnell, dass sich völlig neue Einsatzmöglichkeiten in allen Bereichen des Lebens ergeben könnten. Bislang allerdings weitgehend nur theoretisch – die Forschung steht trotz aller Fortschritte noch am Anfang.
Was versteht man unter Quant? Was ist ein Qubit?
Bei herkömmlichen Computern heißen die kleinsten Recheneinheiten „Bit“, bei Quantencomputern hingegen „Quanten-Bits“ – kurz Qubits. Diese Qubits können sich im Quantencomputer auf eine bestimmte Weise verbinden und werden dadurch – in einfachen Worten – mehr als die Summe ihrer Teile. Man spricht bei diesem Effekt von „Verschränkung“ oder Quanten-Verschränkung:
Erreicht ein Qubit einen bestimmten Zustand, ändert sich auch der Zustand der mit ihm verschränkten Qubits – und zwar in Überlichtgeschwindigkeit. Ein Qubit kann im Gegensatz zu einem Bit nicht nur 1 und 0 darstellen, sondern unendlich viele Zustände dazwischen – und das außerdem gleichzeitig. Warum das so ist, darüber grübelt die Wissenschaft: Viele Aspekte der Quantenmechanik sind noch unverstanden.
Übrigens: Die Quanten, die dem Quantencomputer seinen Namen geben, bezeichnen in der Physik den kleinstmöglichen Wert einer physikalischen Größe – zu vergleichen mit den Pixeln bei einem digitalen Bild. In einem Quantencomputer ist dieser kleinstmögliche Wert ein geladenes Atom (Ion) oder eine bestimmte Menge von Elektronen in einem Kreisstrom.
Was können Quantencomputer heute schon?
Die derzeitigen Quantencomputer sind noch sehr begrenzt in ihren Fähigkeiten und können nur sehr spezielle Aufgaben ausführen. Nichtsdestotrotz sind Quantencomputer von großem Interesse für Wissenschaft und Industrie – unter anderem aufgrund ihrer speziellen Architektur und ihres Potentials, bestimmte Aufgaben sehr schnell und effizient zu lösen. Experten gehen davon aus, dass sich die Fähigkeiten und Anwendungsbereiche von Quantencomputern in Zukunft weiter entwickeln werden.
Einige Dinge, die Quantencomputer heute schon können, sind:
- Berechnungen in großen Primzahlringen durchführen
- Simulation von Molekülen und Materialien
- Berechnung von quantenmechanischen Systemen und Phänomenen
- Verschlüsselung und Entschlüsselung von Daten mit quantenmechanischen Algorithmen
Quantencomputer in der Zukunft – mit was muss man rechnen?
Quantencomputing gilt als sogenannter Game Changer – also als Technologie, die viele Bereiche des alltäglichen Lebens grundlegend umkrempeln könnte. Quantencomputer bieten massives Potenzial, zahlreiche Einsatzmöglichkeiten sind denkbar – etwa in Logistik und Verkehr, Energiewirtschaft, Chemie, Bionik, aber auch in den Bereichen Künstliche Intelligenz, Epidemiologie, Medizin und Pharmazie oder Kybernetik.
Quantencomputer könnten beispielsweise dabei helfen, komplexe logistische Systeme wie Verkehrsnetze zu optimieren oder die Entwicklungsdauer von Medikamenten zu reduzieren. Auch im Falle einer Pandemie könnten Quantencomputer nützlich sein und dabei unterstützen, schnellstmöglich die besten Strategien gegen eine Ausbreitung zu entwickeln.
Bergen Quantencomputer Gefahren?
Quantencomputer bergen keine direkten Gefahren. Allerdings dürfte ihre massive Rechenkraft Auswirkungen auf verschiedene Bereiche der Gesellschaft haben. Ein Beispiel hierfür ist die Verschlüsselung von Daten: Quantencomputer können mit wachsender Rechenleistung immer komplexere Verschlüsselungen knacken.
Das führt womöglich zu einer erhöhten Sicherheitsbedrohung und zieht vielschichtige Umwälzungen nach sich. Allerdings sind die tatsächlichen Auswirkungen von Quantencomputern auf die Gesellschaft noch unklar – es bleibt abzuwarten, wie sich die Technologie entwickelt. Lesen Sie dazu: Quantencomputer: Wie Bochumer Wissenschaftler ihm Paroli bieten.
Wie groß ist ein Quantencomputer?
Die physikalische Größe eines Quantencomputers schwankt je nach Modell und ist abhängig von Faktoren wie Anzahl der Qubits und Art der verwendeten Technologien. Es gibt zwar Geräte, die so groß sind wie herkömmliche Desktop-PCs – allerdings fehlt es denen auch an Leistung. Quantencomputer-System „The Advantage“ von D-Wave Systems Inc. hingegen ist mannshoch, füllt den Raum bis fast unter die Decke. Kurzum: Quantencomputer existieren in verschiedenen Größen und Formen.
Im Vergleich zu herkömmlichen Computern sind Quantencomputer jedoch in der Regel deutlich größer. Dies liegt daran, dass sie über spezielle Komponenten und Technologien verfügen, die für die Ausführung von quantenmechanischen Berechnungen erforderlich sind. Darunter beispielsweise Kühlvorrichtungen, die die Qubits auf niedrige Temperaturen absenken, um Quantenstörungen zu vermeiden.
Oben erwähnter Quantencomputer „The Advantage“ beispielsweise läuft mit minus 273,135 Grad Celsius. Hinzu kommen spezielle Laser- und Optik-Systeme, die dazu dienen, die Qubits zu steuern und zu lesen. Aufgrund dieser speziellen Anforderungen sind Quantencomputer größer und komplexer als herkömmliche Computer.
Wie viel schneller (stärker) ist ein Quantencomputer?
Im Vergleich zu einem gewöhnlichen PC ist ein Quantencomputer Millionen Mal schneller. Berechnungen, für die ein herkömmlicher Supercomputer 150.000 Jahre brauchen würde, kann ein Quantencomputer mitunter in wenigen Tagen bearbeiten. „Was heute noch Wochen dauert, braucht bald nur Minuten“, schwärmt BASF-Vorstandsvorsitzender Martin Brudermüller. Hinzu kommt: Die Leistungsfähigkeit eines Quantencomputers steigt mit zunehmender Größe exponentiell an, erhöht sich also sehr schnell, wenn man die Anzahl der Qubits erhöht. Das liegt daran, dass Quantencomputer mehrere Qubits gleichzeitig nutzen und so wie erwähnt parallele Berechnungen durchführen können.
Die exponentielle Steigerung der Leistungsfähigkeit bei zunehmender Größe ist einer der Gründe, warum Quantencomputer als vielversprechend für die Berechnung von komplexen Problemen gelten, die herkömmliche Computer überfordern. Allerdings ist die Herstellung von Quantencomputern mit einer großen Anzahl von Qubits technologisch sehr anspruchsvoll und weiterhin eine Herausforderung für Wissenschaft und Industrie.
Ab wann kann man einen Quantencomputer kaufen?
Es gibt zwar bereits Geräte im Handel, die als Quantencomputer vermarktet werden (siehe unten). Mitunter mangelt es diesen Modellen aber an typischen Eigenschaften, um als Quantencomputer zu gelten. Auch ist die Herstellung von Quantencomputern sehr kostspielig und technologisch anspruchsvoll, sodass unklar ist, wann und zu welchem Preis Quantencomputer für den allgemeinen Gebrauch tatsächlich erhältlich sein werden. Schätzungen zufolge könnten die ersten „richtigen“ kommerziellen Quantencomputer aber in den nächsten drei bis fünf Jahren auf den Markt kommen.
Wo steht Deutschland beim Quantencomputing?
Deutschland spielt in puncto Quantencomputing und Forschung zu Quantentechnologie eine bedeutende Rolle, zählt sogar zur Weltspitze. Das soll auch so bleiben: Bis 2025 möchte die Bundesregierung zwei Milliarden Euro in den Bereich investieren. In einer eigens hierfür ausgearbeiteten Roadmap wird beispielsweise der „schnellstmögliche Aufbau und Betrieb von wettbewerbsfähigen Quantencomputer-Systemen“ in Deutschland empfohlen, zudem ein „wirksamer Technologietransfer und die Ansiedlung von Start-ups, verbunden mit einer Fokussierung auf die aussichtsreichen Ansätze“. So sollen ein nachhaltiger Aufbau und die damit verbundene Wertschöpfung sichergestellt werden.
Deutschlands erster Quantencomputer steht derweil bereits: 2021 nahm die Fraunhofer Gesellschaft für anwendungsorientierte Forschung im baden-württembergischen Ehningen bei Stuttgart den ersten universellen Quantencomputer in Betrieb. Entwickelt wurde „Quantum System One“ allerdings vom US-IT-Giganten IBM. Nichtsdestotrotz: Quantencomputing ist hierzulande auf dem Vormarsch. Bereits zehn führende Unternehmen der deutschen Wirtschaft haben sich im „Quantum Technology and Application Consortium“ (QUTAC) zusammengeschlossen.
Darunter beispielsweise BASF, BMW Group, Bosch, Deutsche Telekom, Lufthansa Industry Solutions oder Volkswagen. Das Ziel: Quantencomputing industriell nutzbar machen und zur Marktreife bringen. „Die Zukunftstechnologie wird den Innovationsstandort Deutschland weiter stärken, insbesondere aber dem Menschen dienen“, zeigt sich die Bundesregierung zuversichtlich. 2024 soll außerdem der erste Quantenrechner kommen, der vollständig auf deutscher Technologie basiert – inklusive Ökosystem und entsprechender Anwendungen.
Daran arbeitet das Forschungszentrum Jülich derzeit im Projekt „QSolid“. Es wäre der erste „richtige“ Quantencomputer aus Deutschland – vorausgesetzt, das Vorhaben gelingt. Entsprechende Mittel sind jedenfalls gesichert: Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert QSolid für die nächsten fünf Jahre mit 76,3 Millionen Euro. An QSolid sind ebenfalls zahlreiche führende deutsche Unternehmen und Forschungseinrichtungen beteiligt.
Wie teuer ist ein Quantencomputer?
Quantencomputer sind teuer: Der „Quantum System One“ von IBM beispielsweise kostet 11.621 Euro Monatsmiete. Für den Quantencomputer „D-Wave One“ von D-Wave Systems Inc. soll US-Technologiekonzern Lockheed Martin stolze 10 Millionen Dollar bezahlt haben – immerhin inklusive Service-Dienstleistungen. Von D-Wave stammt auch ein Quantencomputer mit 2048 Qubits: der „2000Q“ – zu haben für satte 15 Millionen Dollar.
Und damit ist das Ende der Fahnenstange noch nicht erreicht, denn: Das Unternehmen hat auch einen Quantencomputer mit mehr als 5.640 Qubits im Angebot – „The Advantage“. Der kommt seit Januar 2022 beispielsweise im Forschungszentrum Jülich zum Einsatz. Auch dieser Quantencomputer ist teuer: Eine Stunde Nutzung schlägt mit 2.000 Dollar zu Buche. Es geht aber auch günstiger.
Das chinesische Tech-Startup SpinQ etwa bewirbt einen Schnäppchen-Quantencomputer: Der „SpinQ Gemini“ ist für 5.000 Dollar zu haben – bietet dafür aber nur 2 Qubits. Nichtsdestotrotz gilt: Qubit ist nicht gleich Qubit. Bei Geräten der Firma D-Wave beispielsweise weisen die Qubits Experten zufolge extrem hohe Fehlerwahrscheinlichkeiten auf – und genau diese Fehleranfälligkeit gilt es bei der Entwicklung von Quantencomputern zu vermeiden.
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