Quantencomputing wird nicht alle unsere Probleme lösen, sagt der Physiker Shohini Ghose. Aber das bahnbrechende Computer-Framework hat das Potenzial, zahlreiche Branchen zu verbessern.
Das Potenzial des Quantencomputings wurde als revolutionär gefeiert und kann die Art und Weise, wie alles in unserer Welt funktioniert, verändern, indem es Lösungen exponentiell schneller findet als die leistungsstärksten Supercomputer von heute.
Doch während Führungskräfte die potenziellen Einnahmen berechnen, die Quanten generieren könnten, und Journalisten nach einfachen Wegen suchen, die komplexen Prozesse dahinter zu erklären, sind Quantenphysiker zunehmend frustriert über mangelndes Verständnis ihres Fachgebiets.
„Quantencomputing unterscheidet sich tatsächlich stark von unserem regulären Computing“, sagte Quantenphysiker Shohini Ghose, Professor an der Wilfrid Laurier University in Kanada, gegenüber The European Circle Next.
„Dies ist nicht nur eine leistungsfähigere Version dessen, was wir heute haben. Es ist tatsächlich ein völlig anderes Framework für die Datenverarbeitung selbst.“
Dieser Rahmen ist mit einfachen Analogien und bekannten Benchmarks schwer zu erklären.
Ein Quantencomputer ist nicht X-mal leistungsfähiger als ein normaler Computer. Für die Fußballmannschaft Ihres Kindes ist es nicht Real Madrid. Ein Quantencomputer spielt ein ganz anderes Spiel.
„Es ist nicht so, dass ein Quantencomputer bei jeder Aufgabe besser ist und irgendwie alles, was wir tun, beschleunigen wird“, sagte Ghose.
„Es gibt ganz bestimmte Aufgaben, die ein Quantencomputer tatsächlich besser erledigen kann.“
Das neue Framework des Computing verstehen
Normale Computer – von denen, die wir bei der Arbeit verwenden, bis zum rekordverdächtigen Frontier-Supercomputer – funktionieren, indem sie Informationen in Binärziffern (Einsen und Nullen), sogenannte Bits, umwandeln. Sie verarbeiten lange Zeichenfolgen dieser Bits, sogenannte Codes, und verwenden einfache Mathematik, um diesem Code mitzuteilen, was er tun soll.
Ein Quantencomputer-Framework basiert auf einer anderen grundlegenden Informationseinheit, einem sogenannten Quantenbit, das nach einem Prinzip namens Superposition arbeitet.
„Stellen Sie sich eine Situation vor, in der unser Bit nicht ganz eine Null und nicht ganz eine Eins ist, aber es hat eine gewisse Wahrscheinlichkeit, eine Null zu sein, und eine gewisse Wahrscheinlichkeit, eine Eins zu sein“, sagte Ghose.
„Das nennen wir Superposition, und so wird ein Quantenbit oder Qubit beschrieben.“
Das mag weniger präzise klingen, aber Ghose sagt, dass es die Arten von Berechnungen, die ein Quantencomputer lösen kann, erheblich erweitert und in vielen Fällen die Geschwindigkeit erhöht, mit der er zu einer Lösung gelangen kann.
„Es ist fast so, als würde man von zwei Punkten – 0 und 1 – in einer Landschaft zu einem beliebigen Punkt in der Landschaft übergehen, weil jede Kombination von Null und Eins möglich ist“, sagte sie.
Spielveränderndes Potenzial
Was können Quantencomputer also besser als normale Computer?
„Wenn Sie nur E-Mails schreiben, werden Sie keine enorme Geschwindigkeitssteigerung erleben, die Ihre E-Mails schneller oder besser macht“, sagte Ghose.
„Was aber passieren könnte, ist, dass im Hintergrund ein Quantenverschlüsselungssystem in der Lage sein könnte, die Sicherheit und den Datenschutz Ihrer Kommunikation zu verbessern.“
Die Quantenkryptographie ist ein wichtiger Forschungsbereich, der sich auf die Quantenmechanik stützt, um die Sicherheit der Online-Kommunikation zu verbessern. Ghose sagt, dass die Back-End-Quantenverschlüsselung irgendwann auf allen unseren Geräten verfügbar sein könnte.
„Wenn dies wirklich fehlerfrei und perfekt konstruiert geschieht, ist es völlig unhackbar“, sagte sie. „Um diese Verschlüsselung zu knacken, müsste man die Gesetze der Physik brechen.“
Andere Anwendungen hängen von der Fähigkeit ab, große Quantencomputer zu bauen. Diese könnten von der Entwicklung besserer Arzneimittel bis hin zum Bau besserer Solarzellen und sogar Kleidung reichen.
Aber um die Anwendungsmöglichkeiten des Quantencomputings wirklich zu erweitern, müssen laut Ghose Experten aus verschiedenen Bereichen in die Forschung einbezogen werden.
„Man muss kein Physiker sein, um Teil dieser neuen Quantencomputer-Revolution zu sein“, sagte sie.
„Tatsächlich gilt: Je mehr unterschiedliche Personengruppen beteiligt werden können, desto reicher wird das Feld und desto überraschender die Ergebnisse.“
Für Quanten liegt ein langer Weg vor uns
Es müssen noch viele Fragen beantwortet werden, bevor Quantencomputing in den Mainstream gelangen kann. In erster Linie geht es um die Frage, ob Quantencomputer im großen Maßstab überhaupt gebaut werden können.
„Es ist nicht ganz klar, ob wir sie überhaupt wirklich skalieren können, denn niemand konnte eindeutig zeigen, dass wir beim Bau immer größerer Quantencomputer in der Lage sein werden, dies auf nachhaltige und skalierbare Weise zu tun.“ „, sagte Ghose.
Um zu funktionieren, müssen Qubits bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gehalten werden, was das Wärmemanagement zu einer großen Hürde für Entwickler macht.
Auch die Kosten sind ein Thema – die meisten Schätzungen gehen davon aus, dass die Kosten für ein einzelnes Qubit etwa 10.000 Euro betragen, was einen nützlichen Quantencomputer für alle außer wenigen Branchen unerschwinglich macht.
Ghose sagt jedoch, dass die größte und unbekannteste Herausforderung des Quantencomputings der Umgang mit Quantenfehlern sei.
„Ein Teil dessen, was einen Quantencomputer leistungsfähig macht, ist dieses besondere Phänomen namens Verschränkung, bei dem alle verschiedenen Quantenbits miteinander kommunizieren und sich so verbinden, dass sie gewissermaßen wie ein Ganzes wirken“, sagte sie.
„Aber wenn diese Qubits, anstatt miteinander zu kommunizieren, mit etwas außerhalb ihres Rechenraums kommunizieren, beispielsweise mit einem zufälligen Teilchen, können sie sich auch mit diesen Teilchen verwickeln.“
Um die Qubits zu kontrollieren und zu verhindern, dass sie mit zufälligen Teilchen interagieren, müssen sie laut Ghose „kälter als der Weltraum“ gehalten werden.
Die einzige Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht derzeit darin, riesige Computer „von der Größe eines ganzen Raums“ zu bauen, in die die gesamte Hardware, Elektronik und Kühlsysteme passen.
„Wir müssen eine Menge Fehlerkorrekturen vornehmen, weil sie sehr, sehr fragil sind und selbst der kleinste Fehler oder Rauschen die Berechnung völlig zunichte macht“, sagte Ghose.
„Darüber müssen wir im weiteren Verlauf nachdenken. Lohnt es sich wirklich? Und wenn ja, wie machen wir es auf eine verantwortungsvolle und nachhaltige Weise? Ich kenne die Antwort nicht.“
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