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Quantencomputer: Die neue Computing-Ära schon mal simulieren

Quantenrechner lösen extrem komplexe und variablenreiche Berechnungen innerhalb von Sekunden, was allerdings eine sehr aufwändige und teure Technik absichern muss. Quantensimulatoren erweisen sich da als willkommene Alternative.

Mann auf Motorrad Bildquelle: © fs Quelle: bowie15-123rf

Die führende Quanten-Technologie nutzt den Supraleitungseffekt, der sich erst bei minus 273 Grad Celsions einstellt. Die Kühlapparaturen bilden einen Teil der aufwändigen Technik, die nötig ist. Preisgünstigste Systeme kosten daher derzeit zweistellige Millionen-Dollar-Beträge. Trotz dieser hohen Investitionen läuten Quantencomputer eine neue Computing-Ära ein. Denn Rechenoperationen, die bisher mehrere Jahre dauerten, vollziehen Quantenrechner binnen weniger Tage oder sogar Sekunden. Ihre Stärke, die Rechenleistung, spielen Quantencomputer aus, wenn eine Berechnung eine Unmenge an Kombinationsmöglichkeiten beinhaltet. Die Frage, warum die neuen Superrechner so exponentiell schneller Algorithmen abarbeiten, führt zu den „Qubits“, den Quantenbits eines Quantenrechners. Im Unterschied zu klassischen Rechnermodellen bilden diese nicht nur „0“ und „1“ ab, sondern eine unbegrenzt große Zahl zwischen diesen Zuständen. Quantenrechner speichern diese als Werte und verarbeiten sie parallel, was letztendlich den immensen Geschwindigkeitsschub hervorruft. Bei 20 Qubits ist im Augenblick noch Schluss. So viel beherrscht ein Quantenprozessor, den Google Mitte 2017 präsentierte. Google löste in der obersten Leistungsklasse IBM an der Spitze ab. Der Konzern hielt zuvor die Bestmarke mit 17 Qubits. Vor kurzem stellten IBM und Intel auf der CES 2018 Prozessoren mit rund 50 Qubit vor, die sich jedoch noch in der Testphase befinden.

Erwünschte und ungewollte Quanteneffekte

Qubits werden kontrolliert erzeugt und erfasst. Entweder beschießen Forscher Atome, Elektronen sowie Photonen mit Laser oder sie verwenden Mikrowellen. Jedoch erst, wenn die Verschränkung (Entanglement) von Quantenbits in einem Register erfolgt ist, lassen sich Werte parallel berechnen. Es geht darum, einen bestimmten Quanteneffekt auszunutzen – die Zustandsänderung eines Qubits. So betrifft eine Änderung sofort alle damit verschränkten Qubits, egal wie weit diese entfernt sind. Heutzutage gelingt es, die Änderung zu messen und in Werte von „1“ und „0“ zu übersetzen.

Die komplex aufgebauten und empfindlichen Quantenrechner schwächeln jedoch, wenn Hardware-Fehler ins Spiel kommen. Ein Beispiel: Hardware verursacht bei herkömmlichen Systemen den sogenannten „Blue Screen of Death“. Die Wahrscheinlichkeit für das Szenario liegt bei 10-24. Das Ausfallrisiko steigt hingegen bei Quantenrechnern um den Faktor 20.

Außerdem funktionieren bei Quantensystemen die bislang gängigen Verfahren für die Fehlerkorrektur nicht. Das liegt daran, dass ein Kopieren zu unterschiedlichen Versionen derselben Daten führt. Nachteilig wirkt sich zudem der Aufwand aus, um das Quanten-Rauschen zu verhindern. Das Phänomen entsteht durch die Quantisierung der elektromagnetischen Strahlung. Unerwünscht und zu unterbinden ist daneben die Dekohärenz, also der Einfluss der natürlichen Umgebung auf quantenmechanische Systeme.