Was können eigentlich Quantencomputer?

Quantencomputer werden alles verändern. Das heißt es in letzter Zeit ziemlich häufig. Aber warum eigentlich? Zusammen mit einem Experten aus der 1E9-Community geben wir Antworten auf die wichtigsten Fragen zu den revolutionären Computern, die klassische Hochleistungsrechner alt aussehen lassen könnten.

Von Wolfgang Kerler und Jan Goetz

Es gibt viele Artikel, die versprechen, sie würden Quantencomputer so erklären, dass alle Leser sie einfach verstehen können. Doch bleiben wir realistisch: Das ist kaum möglich, wenn man nicht gerade für eine Physik-Fachzeitschrift schreibt. Quantencomputer sind eben kompliziert. Macht aber nichts. Oder wisst ihr, wie eure Smartphones technisch funktionieren? Wahrscheinlich nicht. Aber ihr wisst, was man damit anstellen kann. Genauso gehen wir die Sache mit den Quantencomputern an.

Wir haben uns vorgenommen, euch bei 1E9 Neuigkeiten aus der Quantenwelt zu liefern. Bevor wir aber damit loslegen, werden wir grundsätzlich. Dieser Einstiegstext beantwortet euch zentrale Fragen: Was können Quantencomputer, was „normale“ Rechner nicht können? Woran hapert es derzeit noch? Und wann können wir mit den ersten Modellen rechnen, die einen wirklichen Mehrwert liefern?

Zum Glück haben wir in der 1E9-Community auch Quantencomputer-Experten, zum Beispiel Jan Goetz, alias @jannemann. Er hat nicht nur einen Doktortitel in Physik, er ist auch Gründer und Chef des finnischen Start-ups IQM, das Hardware für Quantencomputer entwickelt – und von dem wir noch viel hören werden. Er lässt uns an seinem Wissen teilhaben. Legen wir los.

Was können Quantencomputer, was „normale“ Computer nicht können?

Um diese Frage zu beantworten, brauchen wir eine kleine theoretische Grundlage. Denn Quantencomputer können nur deshalb Dinge, die bisherige Rechner nicht können, weil sie zwei Phänomene ausnutzen. Diese sind nur in der mikroskopisch kleinen Welt der Quanten zu beobachten: die Superposition und die Verschränkung. Keine Sorge! Wenn ihr das nicht komplett versteht, seid ihr in guter Gesellschaft. Selbst Albert Einstein kam einiges davon „spukhaft“ vor.

Die kleinste Speichereinheit traditioneller Computer ist das Bit. Das kann nur zwei Werte annehmen: 0 oder 1. Quantencomputer dagegen operieren mit Quantenbits, kurz Qubits. Diese können nicht nur 0 oder 1 darstellen, sondern auch jeglichen Überlagerungszustand dazwischen. Zumindest so lange wir nicht hinsehen. Man spricht hier von der Quantensuperposition. Hinzu kommt, dass die Zustände einzelner Quanten miteinander verschränkt sein können, obwohl sie räumlich getrennt sind. Auf fast schon magische oder eben „spukhafte“ Weise bleiben sie selbst über große Distanzen verbunden.

So weit, so kompliziert. Entscheidend ist für interessierte Nicht-Physiker der Effekt, der sich aus diesen beiden Phänomenen ergibt: Quantencomputer können dadurch eine viel höhere Rechenleistung erzielen und viel schneller riesige Datenmengen verarbeiten als „herkömmliche“ Rechner. Genau dadurch eröffnen sich neue Möglichkeiten.

Selbst der Nobelpreisträger Albert Einstein fand einige Phänomene in der Quantenwelt ziemlich “spukhaft”. Bild: Getty Images

„Quantencomputer könnten Probleme lösen, mit denen selbst unsere aktuellen Hochleistungsrechner ziemlich überfordert sind“, erklärt Jan Goetz. Doch was für Probleme könnten das sein? „Sie könnten beispielsweise Simulationen von sehr komplexen Molekülen möglich machen, was die Entwicklung neuer Medikamente deutlich beschleunigen würde.“

Um die Schwierigkeit dahinter zu verdeutlichen, hier ein kleines Beispiel: Ein klassischer Computer bräuchte, um das ziemlich simple Molekül von Penicil zu simulieren, 10 hoch 86 Bits. Besser gesagt: Er bräuchte genauso viele Transistoren, die den Informationsgehalt der Bits speichern. Dummerweise besteht das uns bekannte Universum nur aus etwa 10 hoch 82 Atomen. Der Bau eines solchen Rechners ist also schon deshalb unmöglich, weil wir gar nicht genügend Atome beschaffen könnten. Ein Quantencomputer dagegen könnte das Penicilin-Molekül schon mit etwa 300 Qubits simulieren.

Davon könnte nicht nur die Pharmaindustrie profitieren, sondern auch die Biotechnologie. Erst kürzlich haben wir hier über ein Start-up berichtet, das durch gentechnische Manipulationen Hefezellen dazu bringt, Collagen zu produzieren. Daraus kann Leder im Labor hergestellt werden, ohne dass Tiere sterben müssen. Doch die Suche nach der perfekten Hefezelle dauert Jahre. Unzählige Varianten haben die Entwickler hergestellt und untersucht. Der Grund: Kein klassisch operierender Computer kann die möglichen Varianten der Hefezellen vorab simulieren. Ein Quantencomputer könnte das schaffen und jahrelange, teure Forschung im Labor überflüssig machen.

Jan kann sich noch viele andere Einsatzmöglichkeiten vorstellen: Quantencomputer könnten den Verkehr in Großstädten in Echtzeit überwachen und steuern. Oder die Terminalbelegung an Flughäfen so optimieren, dass Flugzeuge möglichst kurz herumstehen. Oder Design- und Entwicklungsprozesse in der Industrie revolutionieren. Oder die Finanzmärkte durchschauen. Oder einfach nur viel schneller als heutige Rechner riesige Datenbanken durchforsten. Aufgaben, für die aktuelle Supercomputer Jahre brauchen würden, könnten Quantencomputer in Stunden oder sogar Minuten lösen.

Woran hapert es derzeit noch?

Ihr habt es vielleicht schon bemerkt. Das Wort „könnte“ kommt in diesem Text ziemlich häufig vor. Das liegt daran, dass heutige Quantencomputer die erhoffte und theoretisch mögliche Leistung noch nicht bringen. Denn sie arbeiten mit recht wenig Qubits. Die zurzeit vielversprechendste Technologie für die Konstruktion der Prozessoren sind supraleitende Schaltkreise. Hier liegt momentan IBM vorne. Der Konzern stellt der Quanten-Community eine 20 Qubit -Maschine zur Verfügung.

Derzeitige Schätzungen gehen davon aus, dass es mehr als 50 Qubits bräuchte, um die Rechenleistung eines herkömmlichen Supercomputers zu übertreffen. Wo genau die Grenze liegt, ist allerdings schwer zu sagen. Schließlich werden auch Hochleistungsrechner immer besser. Fest steht, dass spätestens ab etwa 100 Qubits kein normaler Rechner mehr mithalten kann.

Der IBM Q System One gilt vielen derzeit als der führende Quantencomputer mit supraleitenden Schaltkreisen. Er verfügt über einen 20-Qubit-Prozessor. (Bild: IBM)

Doch es gibt da noch ein zweites grundsätzliche Problem: Quantencomputer machen Fehler. Um überhaupt von den Effekten im winzigen Quantenbereich zu profitieren, müssen die Prozessoren im luftleeren Raum stark gekühlt werden. Denn je höher die Temperatur, umso größer die Wechselwirkung der Teilchen mit der Umwelt, umso ungenauer die Ergebnisse. Die Qubits sind extrem scheu und wollen niemals von ihrer Umgebung beobachtet werden. Das würde ihren Zustand zerstören. „Einflüsse von außen machen die Quantenphänomene kaputt“, sagt Jan. „Jede noch so kleine Interaktion mit den Qubits zerstört die Informationen ein bisschen und verschlechtert das Ergebnis. Das ist fundamentale Physik. Wenn ich hingucke, verändere ich.“

Ein Prozessor, mit dem man nicht interagieren kann, bringt aber nicht viel. Wie will man ihm sonst Aufgaben zuweisen oder Ergebnisse abrufen? Dieses Dilemma führt dazu, dass heutige Quantencomputer nur für Mikrosekunden korrekt arbeiten. Nur bessere Hardware, an der auch Jan arbeitet, könnte das ändern.

Außerdem wird es neue Software brauchen, um klassische Hochleistungsrechner vom Thron zu stoßen. „Es gibt zwar diese große Zahl von Problemen, die Quantencomputer theoretisch lösen könnten,“ sagt Jan. „Die Frage zurzeit ist nur: Wie können wir diese Probleme in Quanten-Algorithmen übertragen.“ Das Karlsruhers Start-up Heisenberg Quantum Simulations ist gerade dabei, diese Frage für die Berechnung von Molekülen zu klären. Das junge Unternehmen JoS QUANTUM aus Frankfurt entwickelt Lösungen für den Finanzsektor. Sein Gründer @Markus_Braun ist übrigens auch in der 1E9-Community.

Wann können wir mit den ersten Modellen rechnen, die einen wirklichen Mehrwert liefern?

Bis im größeren Stil Quantencomputer auf dem Markt sind, die sich kommerziell wirklich rechnen, dürfte es mindestens noch fünf, eher zehn oder noch mehr Jahre dauern. Ohnehin geht Jan davon aus, dass hybride Systeme den Anfang machen werden – also Mischungen aus Quanten- und Supercomputern. Er hat auch eine sehr anschauliche Erklärung, was die bringen könnten.

„Stell dir vor, du willst die Nadel in einem Heuhaufen suchen, einem sehr großen Heuhaufen“, fängt er an. „Aber du hast keine Ahnung wo sie sein könnte. Ein normaler Computer müsste jeden einzelnen Halm umdrehen, um die Nadel zu finden. Das dauert sehr lange. Ein Quantencomputer kann den ganzen Haufen gleichzeitig durchsuchen. Zwar wird er sich noch schwer damit tun, den Standort der Nadel ganz genau zu identifizieren. Aber er kann dir zumindest sagen, dass sie hinten rechts in der Scheune versteckt ist. Dort kann dann der klassische Computer weitersuchen.“

Diese Art der hybriden Nadelsuche wird in den nächsten Jahren nur relevant sein, um ganz spezifische Probleme zu lösen. Das dürfte für die Wissenschaft und manche Unternehmen interessant sein, unser alltägliches Leben aber kaum beeinflussen. Bis wir mit Quantenlaptops arbeiten – falls das überhaupt notwendig wird – dürften noch viele, viele Jahre vergehen. Wer Angst hat, dann den Umgang mit Computern völlig neu lernen zu müssen, kann aber beruhigt sein. „Auch in Quantencomputer werde ich irgendetwas hineintippen“, sagt Jan. „Und dann machen sie etwas.“

Ihr wollt mehr über die Welt der Quantencomputer erfahren und wissen, welche Rolle Europa bei der Entwicklung dieser Technologie spielt? Oder ihr wollt in einem Workshop selbst einmal Hand anlegen? Dann kommt am 11. Juli zu 1E9 THE_CONFERENCE, hört euch die Keynote von Jan Goetz von IQM an und nehmt am Workshop von JoS QUANTUM teil.

Teaser-Bild: Getty Images

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Danke auch an @fhohenauer aus unserer Community von dem die Anregung zu diesem Artikel stammt. Wer noch Fragen hat, gerne hier fragen!

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Könnte man entsprechend dann auch mit einem Quanten-Computer die gesamte Welt simulieren? incl. aller menschlichen Aktivitäten? Wäre das dann so eine Art neues Orakel?

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Ein riesengroßes Dankeschön, dass Ihr die Anregung aufgegriffen habt! Ein bisschen weiter bin ich schon… z.B. was das “Beobachten” betrifft. Es handelt sich da ja nicht im ein “Hinsehen” (das keinen Effekt hätte) sondern eine Messung, zb mit Licht. Teilchen oder Wellen werden zum Quant geschickt und natürlich tut sich dann was. Leider ergeben sich dann wieder neue Fragen… Wenn meine Messwelle das Quant trifft uns es dann einen eindeutigen Zustand aufweist, warum hatte es dann vorher keinen? Mit “alle gleichzeitig” tue ich mich noch sehr schwer… auch würde ich gerne verstehen, wie man mit Quanten rechnen kann. Wie sieht Code für QC aus? Mal sehen, was ich bei der Konferenz herausfinden kann :slight_smile:

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@Wolfgang -
Das ist ein sehr interessanter Beitrag. Die wenigsten haben eine Vorstellung von “so einem Quantencomputer”.
Eine geringfügige ‘Orientierung’ zu diesem Thema ist jedenfalls sehr viel wert.
Danke!
Es ist wie in deinem Beispiel mit der Nadel im sehr großen Heuhaufen. Wir wissen noch nicht wo sie liegt, doch wir erhalten eine Information in welcher Ecke sie zu finden ist.

Im Folgenden habe ich unsortiert und unkommentiert einige Passagen des Beitrags herausgeschnitten, die eine meiner Fragen berühren, welche ich schon seit einigen Jahren mit mir ‘herumtrage’.
Es geht um die Gegenüberstellung des menschlichen Geistes mit der Tüchtigkeit eines Quantencomputers.
Es existieren bereis viele Arbeiten um das Thema Geist und Quantenphysik.

Meine Frage:

Da ich mir vorstellen kann, dass ihr, @Wolfgang, @Jan_Goetz und @Markus_Braun und andere auch, nicht um Parallelen und Vergleiche zum menschlichen Geist herumkommt, bin ich begierig darauf zu hören, was eure persönlichen Gedanken und Visionen zu diesem Vergleich sind!

Oder ist es angebrachter, diese Frage mit der Eröffnung eines neuen Themas an anderer Stelle zu eröffnen?

Ich bin gespannt…

Hier die Zusammenstellung einiger Gedanken aus dem Beitrag:

Hi @Ronit, es ist immer gefährlich, die Zukunft vorherzusagen und ich will mich hier auch nicht zu weit aus dem Fenster lehnen. Für Quantencomputing sollte man auch wissen, dass die Quantenmechanik die Zufälligkeit (Quantenfluktuationen) intrinsisch eingebaut hat, so dass eine exakte Vorhersage unmöglich wird. Des Weiteren kann man das Superpositionsprinzip auch so interpretieren, dass beide Zustände eines qubits (0 und 1) parallele Wege in zwei Welten nehmen (Stichwort multiple Universen, Feynman’s Pfadintegrale) was die Frage aufwirft in welchem dieser Universen man sich dann am Ende befindet. Du siehst, das ganze wird leicht philosophisch.

Wobei ich mir aber ziemlich sicher bin ist, dass ein Quantencomputer enorm helfen wird, die Welt zu verstehen. Es gibt da zum einen physikalische Phänomene wie die Supraleitung die schon seit 100 Jahren bekannt ist aber bei denen noch eine geschlossene Theorie fehlt. Aber auch bei der von dir angesprochenen menschlichen Aktivität gibt es im Bereich komplexer Netzwerke (Gehirn) sicherlich einiges was wir von einem Quantencomputer lernen könnten.

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Hi @fhohenauer, was genau beim Messen mit dem Quantenzustand passiert ist immer noch ein heiß diskutiertes Thema, welches sich unter dem Begriff Measurement Problem zusammenfassen lässt. Darüber wird schon seit Jahrzehnten herrlich gestritten und am Ende gibt es oft das Zitat “Shut up and calculate” von David Mermin.

Man muss hier etwas genauer verstehen, dass das Quantensystem sich nicht in ZWEI Zuständen gleichzeitig befinden kann, sondern in EINEM Überlagerungszustand ist. Diese Überlagerung kann man sich beispielsweise so vorstellen, dass der Quantenzustand 50% des einen Basiszustandes 0 und 50% des anderen Basiszustandes 1 enthält. Es ist aber auch jede andere “Mischung”, zB 30% zu 70%, 99% zu 1% etc möglich. Das Problem ist, dass man mit einer Messung nur Zugang zu den “reinen” Zuständen 0 oder 1 hat. Dh bei jeder Messung muss sich das Quantensystem entscheiden ob es 0 oder 1 ist. Das nennt man eine “Projektion auf die Basiszustände”. Wenn ich jetzt viele Messungen mache und danach den Mittelwert bilde, werde ich genau dieses oben beschriebene “Mischungsverhältnis” als Wahrscheinlichkeitsverteilung erhalten.

Code für Quantencomputer kannst du dir hier ansehen. Erstaunlicherweise wird quantum code oft noch in dieser notenartigen Darstellung abgebildet (Shor’s algorithm):

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Hi @lifequest, ich bin mir nicht sicher ob ich genau verstehe was du damit meinst, insbesondere mit dem Begriff “menschlicher Geist”. Grundsätzlich ist es gut zu wissen, dass ein Quantencomputer nur bei ganz bestimmten mathematischen Problem einen Vorteil erzielen kann. Dh für viele “einfache” Berechnung bringt es nichts, einen Quantencomputer zu verwenden. Die unten stehende Tabelle fasst die mathematischen Klassen zusammen, die in diesem Artikel beschrieben werden.

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Ich glaube, in diesem Fall ist weniger die „Art“ des Computers das Hindernis, sondern der Speicher und die Rechenpower. Denn hierbei würden derart viele Variablen anfallen, dass es nahezu an eine Unmöglichkeit grenzt: Um menschliche Aktivitäten und deren möglichen Entscheidungen zu berechnen, müsste bis hinab auf die atomare Ebene berechnet werden – die einzelnen elektrischen Signale, die das Gehirn erreichen, die Photonen, die das Auge treffen und wahrgenommen werden.

Alleine um das Leben eines Menschen einigermaßen akkurat zu berechnen und vorherzusagen, bräuchte es wohl ein Matrjoschka-Gehirn – womit wir witzigerweise wieder bei der Dyson-Sphäre wären XD

Dennoch ist es eine interessante Vorstellung. Kennst du zufällig den Roman Die vierte Zwischeneiszeit von Kōbō Abe?

@Michael …ich musste da an die sehr alte Kurzgeschichte, witzigerweise von Jostein Gaarder denken, der Zeitscanner, und cixin liu hat ja mit ‘der spiegel’ auch ein Werk geschrieben das dem recht nahe kommt.
Die vierte Zwischeneiszeit von Kōbō Abe, kenne ich nicht…aber lass mal hören, oder eine Lese-Empfehlung?
ich würde mich am liebsten klonen, und eines meiner Ichs sollte die ganzen Jahre über lesen. :slight_smile:

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@Ronit, deine drei Fragen lassen den Blick auf eine Entfernung weit hinter der Zukunft vermuten. Das ist zwar kein Koan, doch zu ihrer Beantwortung müssen wir unseren Geist von den Fesseln kausalen Denkens befreien.

Ich versuche es einmal:

Die gesamte Welt simulieren wird, selbst wenn es möglich werden würde, niemals für ein Orakel tauglich sein, weil sie, wie alles Lebendige, im steten Wandel ist und sich augenblicklich erneuert. Dann ist sie auch noch von allen Vorgängen im Kosmos abhängig.
Das gleiche gilt ebenso für alle menschlichen Aktivitäten.
Der Blick auf unsere Herkunft und jene unserer Welt lässt eher die Weissagung eines Orakels zu. Siehe auch:
Die Vergangenheit der Zukunft

So geht es mir auch. Das Leben selbst weiß nicht wo es hingeht, es geht einfach…
Allerdings hege ich keine große Scheu vor philosophischen Betrachtungen zu definierten, speziellen wissenschaftlichen Themen.
Die meisten, wenn nicht alle ‘unsterblichen Größen der Wissenschaft’, denen wir unsere Errungenschaften auf allen Gebieten verdanken, waren gleichsam auch Philosophen. Oft ist die Philosophie für unsere Wissenschaft richtungsweisend.

Selbst ich bin mir nicht sicher was genau ich mit dem Begriff “menschlicher Geist” meine, weil ich den Eindruck gewonnen habe, dass mit ihm alles möglich ist, sogar das Unvorstellbare. Damit ist eigentlich gesagt, dass ein Vergleich, den ich angesprochen habe, gar nicht möglich ist.

Die Tabelle der mathematischen Klassen hat mein Verständnis für das Gebiet “Quantenkomputer” erweitert - danke dafür!

Frage:

Was verändert sich in bezug auf künstliche Intelligenz, selbstlernende Systeme durch einen möglichen Einsatz des Quantenkomputers? Gilt auch hier deine Aussage: “…, dass ein Quantenkomputer nur bei ganz bestimmten mathematischen Problem einen Vorteil erzielen kann…”?

Jostein Gaarder, oh, da hab ich ganz dunkle Erinnerungen, dass ich da mal den Kurzgeschichtenband mit der Story in der Hand hatte. Kann jedoch gar nicht so lange her sein.

Die vierte Zwischeneiszeit von Kōbō Abe ist eine Leseempfehlung – aber mit Einschränkung. Ist nämlich schon etwas sehr bizarr, mit schrägen Wendungen, einigen bizarren Logiklöchern und allzu abgehobenen Gedankengängen. Sonst sollte man aber unbedingt mal irgendwas von Kōbō Abe gelesen haben. Am besten Der Schachtelmann .

Mittlerweile ist mir auch die Story eingefallen, die ich eigentlich erwähnen wollte, deren Name mir aber einfach nicht in den Sinn kam. Und zwar Paycheck von Philip K. Dick aus dem sie auch einen grausig schlechten Film mit Ben Affleck gemacht haben. In dem wird ein Informatik- und Ingenieursgenie angeheuert, um eine Maschine zu bauen. Nachdem er fertig ist, wird seine Erinnerung gelöscht. Aber er hat sich davor selbst ein Paket zugeschickt, um herausfinden können, was er getan hat. Und das war eine Maschine zu bauen, die bis zu einem gewissen Punkt in die Zukunft schauen kann – womit er sich auch die Gegenstände zukommen ließ, die er brauchte, um Hindernisse zu überwinden. Beispielsweise ein Busticket, um der Polizei zu entkommen, oder einen Draht, um ein Auto zu knacken.

Auch empfehlenswert in dem Kontext: Das Licht ferner Tage von Arthur C. Clarke, in dem Miniwurmlöcher genutzt werden, um in die Vergangenheit zu schauen – unter anderem, um herauszufinden, ob Jesus wirklich am Kreuz gestorben ist.

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Und die Reise beginnt! Gratulation @jannemann zu dieser für Europa sehr einzigartigen Finanzierungsrunde:

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@lifequest Es gibt durchaus viel Hoffnung auf Anwendungen im Quantum Machine Learning:

"Quantum machine learning also extends to a branch of research that explores methodological and structural similarities between certain physical systems and learning systems, in particular neural networks. For example, some mathematical and numerical techniques from quantum physics are applicable to classical deep learning and vice versa.[22][23][24] Finally, researchers investigate more abstract notions of learning theory with respect to quantum information, sometimes referred to as “quantum learning theory”.

Dieses Zitat stammt direkt aus dem verlinkten Wikipedia Artikel. Da ich allerdings kein Fachmann in Machine Learning und auch nicht in Neural Networks bin, kann ich hier auch nur das nachplappern was andere sagen und schreiben. Mein Fachgebiet ist da doch zu sehr die Hardware um genauere Aussagen über die spezifischen Einsatzmöglichkeiten eines Quantencomputers im Bereich AI zu machen.

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Danke @jannemann für die Links.
Ich werde erst einmal die Literaturliste ins Visier nehmen.
Da tut sich in der Tat so einiges. Ein hoch spezialisiertes Gebiet. Es werden sich nicht so viele Ansprechpartner finden.
Mit einem chinesischen Spruch ausgedrückt:
Das was du suchst, ist durch Suchen nicht zu finden und doch finden es nur Sucher. :innocent:

Vielen vielen Dank! In dem Kommentar stehen genau die Hinweise, die mich in meiner laienhaften Suche nach Erkenntnis weiterbringen.

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