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Quantum Computing

Quantum Computing
  Frank Hartmann   Jan 20, 2020   Blog   Kommentare deaktiviert für Quantum Computing

Quantum Computing 2019: das Jahr der Vorherrschaft

2019 war in der Tat das Jahr des Quantencomputers. Die Idee eines auf den Prinzipien der Quantenphysik basierenden Rechengerätes ist so alt wie der Personal Computer selbst, aber es schien lange Jahrzehnte lang Fantasie zu sein.  Im Jahr 2019 berichteten die führenden Köpfe der Sphäre jedoch von einem bahnbrechenden Fortschritt. Jetzt stehen wir an der Schwelle zu noch bedeutenderen Entdeckungen, die direkt hinter der Tür auf uns warten.

 

Aber was ist ein Quantencomputer?

Zu Beginn des 21. Jahrhunderts haben die Menschen zwei Dinge verstanden. Klassische Computergeräte haben ihre Grenzen, und wir haben sie fast erreicht. Wir wissen bereits um die Probleme, bei denen traditionelle Computer nicht helfen. Die Menschen brauchten einen neuen Computer und einen viel leistungsstärkeren.

Die üblichen Computer verwenden den Binärcode zur Verarbeitung der Daten. Es gibt die minimale Einheit – ein Bit. Sie hat zwei Grundzustände: „Eins“ und „Null“. Das ist fast das Shakespeare’sche „Sein oder Nichtsein“. Die Kombination dieser Zustände kann jedes physikalische Objekt beschreiben und es in eine digitale Kompilation von „Nullen“ und „Einsen“ verwandeln. Dieser Ansatz hat uns lange Zeit alle theoretischen und praktischen Aufgaben lösen lassen. Leider endete diese Zeit. 

Die neue Informationseinheit ist ein „Qubit“ – „ein Quantenbit“. Im Gegensatz zum traditionellen Bit kann ein Qubit in mehreren Zuständen gleichzeitig sein. „Sein und Nichtsein, und alles dazwischen“ oder der Zustand der Überlagerung. Wenn Sie mehrere Qubits in Überlagerung haben, können wir sie verbinden und sie miteinander kommunizieren lassen. 

Der klassische Computer nimmt Aufgaben einzeln auf, rechnet aber viel schneller als ein Mensch. Der Quantencomputer kann mehrere Aspekte eines Problems auf einmal bearbeiten und so die Berechnungen beschleunigen. Das ist jedoch nicht der Hauptvorteil. Entscheidend ist, dass er zu richtigen Schlussfolgerungen kommt, da seine Berechnungen probabilistischer Natur sind. Die Quantenwellen lassen die falschen Lösungen sinken, und die richtigen Antworten werden steigen. 

Wissenschaftler behaupten, dass die Quantencomputer eine Million Mal leistungsfähiger sein werden als die besten existierenden Supercomputer. Aufgaben, die heute Hunderte oder Tausende von Jahren an Berechnungen erfordern, können in wenigen Minuten erledigt werden. Dies wird mit der „Quantenüberlegenheit“ möglich werden. Wenn wir es bekommen – die Tür wird offen sein. 

Im Jahr 2019 berichtete Google über das Erreichen der Quantenvorherrschaft.

 

Das Quantenrennen des 21. Jahrhunderts

Google ist ein bedingungsloser Führer. Es hat den leistungsstärksten aller Quantencomputer mit 72 Qubits geschaffen und wird die Quantenvorherrschaft mit eigenem Quantenprozessor beweisen. 

Die Rivalen von Google sind IBM, Intel, kleinere Firmen wie D-Wave in Kanada und sogar die chinesische Regierung – sie hat stark in die Quantenforschung investiert.

IBM war das Unternehmen, das die Welt veränderte, als es den ersten Personal Computer vorstellte. Sie wird jetzt nicht aufgeben. Auf seinem anfänglichen Weg schafft es Lösungen für die öffentliche Nutzung. Die stärkste IBM-Maschine ist der 50qubit-Computer, aber es gibt 5- und 16qubit-Computer, die jeder benutzen kann. Je mehr Programmierer Berechnungen auf Quantencomputern üben, desto mehr Daten sammeln sie – desto besser kann IBM diese Technologie entwickeln. 

Die Firma Intel erforscht eine andere Qubit-Technologie und wird in nächster Zukunft den 50-Qubit-Computer vorstellen. Alternative Methoden stellen sicher, dass die Ermittler verschiedene Mittel ausprobieren und die effizientesten auswählen.

Das Unternehmen D-Wave ist zwar in der Öffentlichkeit nicht so bekannt, aber sein Name ist allen am Quantencomputer interessierten Personen bekannt. Sie machten einen praktischen Service und ließen ihre Kunden einmal im Monat den Cloud-basierten Quantencomputer nutzen. Die Kunden bekommen nur eine Minute, aber es reicht, weil dieser Computer die Arbeit innerhalb einer Millisekunde erledigt. D-Wave ist führend unter den „praktischen“ Unternehmen – seine Kunden sind zum Beispiel Airbus und Volkswagen. 

 

Die Aufgaben, die sie mit Quantum Computing lösen

Es gibt zwei Hauptansätze: Konzentration auf ein spezifisches Problem oder ein universeller Ansatz. Aber der Hauptumfang dieser Computer sind die Optimierung von Prozessen, Modellierung und Simulationen.  

Eine der komplexesten Problemstellungen unserer Zeit ist der Umgang mit überkomplizierten Systemen mit vielen Elementen. Die Standard-Computer bleiben stecken – sie können nicht die ganze Vielfalt an Wahrscheinlichkeiten berechnen. 

Hier tauchen Quantencomputer auf, denn unsichere Elemente und Wechselwirkungen sind ihre „Tasse Tee“ – vorausgesetzt, die Maschinen brauchten eine Tasse Tee. Einige der Experten behaupten, der Zweck eines Quantencomputers sei es, zu raten. Die Vermutung kann sich auf alles beziehen – den besten Weg von A nach B, die beste Form des Flugzeugflügels oder die effizienteste Kombination von Atomen in einem synthetischen Molekül. Diese Computer bieten eine Vermutung an – und die Quantenwellen würden die richtigen Varianten hervorbringen. 

 

Die praktische Nutzung von Quantencomputern

Auch wenn es noch nach Science-Fiction klingt, sind Quantencomputer in einigen Bereichen bereits willkommene Gäste und Helfer. 

 

Chemische und pharmazeutische Bereiche

Der oberste Vorteil des Quantencomputers ist die Möglichkeit, chemische Reaktionen zu modellieren und Katalysatoren zu finden. Klassische Computer können auch einige neue Chemikalien „entwerfen“, aber der Quantencomputer wird es viel schneller und präziser tun. Daher kann er neue Chemikalien und Materialien zusammenstellen. Die Batterien für Elektroautos oder neue Treibstoffarten oder die neuen Materialien für den Maschinenbau und die Luftfahrt – sie alle können sich auf Quantenmöglichkeiten verlassen.

Medizin setzt große Hoffnungen auf die Leistungsfähigkeit von Quantencomputern. Sie können komplexe Strukturen von Atomen oder Zellen modellieren, die zu den Prototypen zukünftiger Medikamente werden. Oder diese Maschinen können der Menschheit eine völlig neue Heilung auf der Basis der Genomentschlüsselung ermöglichen.

 

Quantum AI

Es ist ein neuer Ansatz, der als Kombination aus maschinellem Lernen und Quantenphysik entstanden ist. Ziel ist es, die technische Überlegenheit der Quantenberechnungen zu nutzen, um die Lernalgorithmen zu beschleunigen. Google sieht diese Richtung als eine der vorteilhaftesten für die Zukunft. Vielleicht sehen wir bald eine voll funktionsfähige KI auf der Basis von quantenneuronalen Netzen?

 

Optimierung der bestehenden Prozesse und Dienstleistungen

Stadtverkehr ist ein schwarzes Loch, das durch seine grandiosen Staus viel Zeit verbraucht. Es ist die ehrgeizigste Aufgabe unserer heutigen Zeit, den Verkehrsfluss vorherzusagen und Millionen von Autos so zu steuern, dass sie keinen Stau verursachen. In der Theorie ist das möglich, aber in der Praxis trifft die Idee auf den menschlichen Faktor.  

Die Aufgabe besteht darin, zu wissen, wie viele Fahrzeuge zu einem bestimmten Zeitpunkt auf der Straße sein werden, wo sie sich befinden und wie sie interagieren werden. Klassische Computer können dies nicht in einem vernünftigen Zeitrahmen leisten – die Lösung, die sie finden, wird in diesem Moment überflüssig. Aber die Quantencomputer könnten dieses schreckliche System mit all seinen Elementen modellieren und für jedes Fahrzeug die kürzeste und sicherste Route berechnen. Vielleicht lassen sich bisher nicht alle Probleme lösen, aber Volkswagen könnte den Verkehrsfluss in einer Megapolis wie Peking erfolgreich optimieren. 

 

Quantensensoren

Die Reichweite solcher Sensoren würde helfen, kleinste Veränderungen sowohl der großen Objekte wie Vulkane als auch der kleinen Dinge des menschlichen Körpers zu erkennen. Die Möglichkeit, abnorme Zellen zu erkennen, wenn nur ein paar von ihnen vorhanden sind, bevor sie sich in den bösartigen Tumor verwandeln, wird die effizienteste Waffe im Kampf gegen den Krebs sein. 

Diese Felder sind einige Beispiele für die Anwendung des Quantencomputers. Selbst die Wissenschaftler kennen noch nicht alle ihre Möglichkeiten. Obwohl es durchaus verständlich ist, dass wir uns in einem sehr frühen Stadium befinden und Quantencomputer in nächster Zukunft kaum den Platz der Laptops einnehmen würden, leben wir in einer Welt, in der sich über Nacht alles ändern kann.  

 

Die dunkle Seite des Quantencomputers

Es ist ein unvermeidliches Problem jeder Entdeckung – es wird immer eine Möglichkeit geben, sie mit bösen Absichten zu verwenden. Der Quantencomputer kann die Übung des „Factoring großer Zahlen“ potenziell leichter durchführen als jeder andere Supercomputer. Es bedeutet, einige unserer weit verbreiteten kryptographischen Algorithmen zu brechen. Die existierenden Quantencomputer sind dazu – bisher – nicht in der Lage. Aber sie werden leistungsfähiger werden, und dann werden die Schutzalgorithmen kein Hindernis mehr für sie sein. 

Die Wissenschaftler sind sich dieser Bedrohung bereits bewusst. Sie wissen, dass wir ihr nicht ausweichen können – also müssen wir uns vorbereiten. Die neue Klasse von Algorithmen der sogenannten Post-Quanten-Kryptographie ist bereits in Arbeit. Das National Institute of Standards and Technology hat bereits eine Reihe von 26 solcher Algorithmen gewonnen. Das Ziel ist es, neue Standards der digitalen Sicherheit zu entwickeln, um die Quantenangriffe zu parieren.  

Diese Algorithmen sind „Prototypen“, aber die umfangreichen Tests sollten die Hauptfrage beantworten: Werden diese Schlüssel die Daten in der realen Welt schützen? Sie werden auf allen Geräten funktionieren müssen, von großen Computern bis hin zu Mikrochips. Die nächsten 12 Monate sollten ihre Nachhaltigkeit beweisen oder die Forscher dazu bringen, eine andere Lösung zu finden. 

 

Die Quantenzukunft

Was wäre, wenn die Quantencomputer die klassischen Maschinen ersetzen und nur noch deren Funktionen erfüllen könnten? Würde dieser Unterschied so viel bedeuten, um die Welt auf eine neue Ebene zu übertragen? 

Wahrscheinlich wird es so sein. Computer regulieren bereits unser Leben. Jede kleinste Eigenschaft der städtischen Umgebung, die wir standardmäßig übernehmen und die wir uns nicht einmal vorstellen können, ohne sie zu sein, ist auf die Leistungsfähigkeit von Computern angewiesen. Eigentlich ist das der Grund, warum die Menschheit viel leistungsfähigere Maschinen braucht – das System, in dem wir alle leben, ist zu komplex, um es zu verwalten. Quantencomputer wiederum würden das bewältigen. 

Stellen Sie sich vor, Sie stehen früher auf und atmen die frische Luft ein – die Quantencomputer helfen, einen umweltfreundlichen Treibstoff zu erfinden. Neue Materialien, die dank dieser Maschinen erfunden werden, werden den derzeitigen Kunststoff im Raum ersetzen. Dann gehen Sie zur Arbeit – die Autos werden leichter und schneller. Werden sie fliegen können? Möglicherweise. Wir werden aktualisierte Verkehrsregeln brauchen, um die Fahrzeuge, die sich in der Luft bewegen, zu regulieren. Haben Sie sich schon den klassischen Fall vorgestellt, dass Sie die Kreuzung aus mehreren Dutzend Richtungen überqueren? Hoffen wir, dass die Quantencomputer in der Lage sein werden, diese Regeln zu entwickeln, sie auf den Verkehr in einer Megapolis anzuwenden und sicherzustellen, dass die Autos sie befolgen. 

Menschen werden sich auf interessante und kreative Aufgaben konzentrieren können, da die KI die ganze Routine darauf verwenden wird. Und natürlich werden sie die neuesten Nachrichten aus der Pharmakologie diskutieren – welche neue Heilmethode auf den Markt kommt, um die nächste ex-inkurable Krankheit zu besiegen. 

Man könnte meinen, es sei Utopia. Vielleicht. Aber die Möglichkeiten, die uns die Quantencomputer eröffnen, werden das gesamte Leben auf der Erde verändern können.

Die Zukunft mit dem Quantencomputer könnte wie eine Illustration aus der Science-Fiction-Geschichte aussehen. Es wäre eine Welt, die organisierter, schneller und reaktionsschneller wäre. Aber würde sie die chaotische Natur der Menschheit überwinden? Die Entdeckungen, die die Wissenschaftler jeden Tag machen, beweisen nur, dass je mehr wir lernen, desto mehr bleibt unbekannt. Und vielleicht haben wir länger Zeit, bevor wir Call of Duty auf dem Quanten-Smartphone spielen können.

Picture by Joshua Sortino https://unsplash.com/photos/LqKhnDzSF-8

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