Gestaltet Quantencomputing die Zukunft? Geschichte, Herausforderungen, Risiken und Vorteile

Vor nicht allzu langer Zeit veranlassten die Einschränkungen klassischer Computer Wissenschaftler dazu, eine neue Art der Datenverarbeitung zu entwickeln – das Quantencomputing. Quantencomputer verwenden Qubits anstelle klassischer Bits und können bestimmte Berechnungen viel schneller durchführen als klassische Computer. Dieser Vorteil kann möglicherweise zahlreiche Bereiche verändern und unser Leben verbessern. In diesem Artikel geben wir einen Überblick über Quantencomputing, einschließlich Branchen und Bereichen, die durch Quantencomputing revolutioniert werden könnten. Wir werden auch die Herausforderungen und Risiken diskutieren, die mit dieser Technologie verbunden sind, sowie was die Zukunft für sie bereithält.

Innenraum eines IBM Quantum-Computersystems. (Quelle: IBM )

Was ist Quantencomputing?

Die Informatik hat seit der Entwicklung der Quantentheorie in den 1920er Jahren und dem Bau des ersten programmierbaren Computers, dem Electronic Numerical Integrator and Computer ( ENIAC ), im Jahr 1945 einen langen Weg zurückgelegt. Die Maschine war der erste „automatische, universelle, elektronische, dezimaler, digitaler Computer“, heißt es in Edwin D. Reillys Buch „Milestones in Computer Science and Information Technology“. Was genau ist Quantencomputing? Kurz gesagt handelt es sich um eine sich schnell entwickelnde Technologie, die sich die Gesetze der Quantenmechanik zunutze macht, um komplexe Probleme effizienter und leistungsfähiger als klassische Computer zu lösen. Für manche Probleme sind Supercomputer nicht so super. Im Kern basiert das Quantencomputing auf der Verwendung von Quantenbits (Qubits) zur Verarbeitung und Manipulation von Informationen. Im Gegensatz zu klassischen Bits, die nur in einem von zwei Zuständen (0 oder 1) existieren können, können Qubits aufgrund des Phänomens der Überlagerung in mehreren Zuständen gleichzeitig existieren. Dadurch können Quantencomputer viele Berechnungen gleichzeitig durchführen. Ein weiteres Schlüsselprinzip des Quantencomputings ist die Verschränkung , die es ermöglicht, Qubits so zu korrelieren, dass der Zustand eines Qubits den Zustand eines anderen Qubits sofort beeinflussen kann, selbst wenn sie physisch getrennt sind. Dadurch können Quantencomputer bestimmte Aufgaben viel schneller ausführen als Supercomputer – große Zahlen faktorisieren, große Datenbanken durchsuchen usw.

Wie funktionieren Quantencomputer?

Wie gerade erwähnt, verwenden Quantencomputer Qubits anstelle von Bits, um mehrdimensionale Quantenalgorithmen auszuführen. Qubits werden mithilfe von Supraleitern erzeugt, die quantenmechanische Effekte aufweisen, wie z. B. Cooper-Paare, die durch Quantentunneln eine Ladung durch Isolatoren transportieren können. Das Verhalten von Qubits kann gesteuert und manipuliert werden, indem Mikrowellenphotonen auf sie abgefeuert werden. Qubits können in einen Überlagerungszustand versetzt werden, der eine Kombination aller möglichen Konfigurationen des Qubits darstellt. Durch Überlagerung von Qubitgruppen können komplexe Rechenräume entstehen, die komplexe Probleme auf neue Weise darstellen können. Quantencomputer sind kleiner und benötigen weniger Energie als Supercomputer, müssen aber sehr kalt sein, was durch unterkühlte Superflüssigkeiten erreicht wird.

Eine schematische Nahaufnahme des supraleitenden Qubits von IBM, einschließlich einer vergrößerten Ansicht seines Josephson-Kontakts

Aktueller Stand des Quantencomputings

Quantencomputing ist ein sich schnell entwickelndes Feld, das die Art und Weise der Lösung komplexer Probleme revolutionieren wird. Mehrere Unternehmen, darunter IBM, Google und Rigetti, haben bereits Quantencomputer gebaut und nutzen diese. Die Größe dieser Computer reicht von wenigen Qubits bis zu über 100 Qubits und jeder verfügt über seine eigene einzigartige Architektur und Reihe von Fähigkeiten.

• Im Jahr 2017 gab Rigetti die öffentliche Beta-Verfügbarkeit von Forest 1.0 bekannt, der weltweit ersten Full-Stack-Programmierumgebung für Quantencomputing.
• Googles Sycamore ist ein Quantenprozessor mit 53 Qubits. Es wurde 2019 entwickelt und soll eine Aufgabe in 200 Sekunden erledigen, für deren Bewältigung ein High-End-Supercomputer 10.000 Jahre benötigen würde.
• Der Quantencomputer IBM Quantum System One wurde ebenfalls 2019 von IBM eingeführt. Es enthält einen 20-Qubit-Transmon-Quantenprozessor, der in einem 2,7 x 2,7 x 2,7 Meter großen Rechensystem untergebracht ist. Interessanterweise hat IBM auf dem IBM Quantum Summit 2022 den neuen 433-Qubit-Prozessor „Osprey“ angekündigt.

„Der neue 433-Qubit-Prozessor ‚Osprey‘ bringt uns dem Punkt einen Schritt näher, an dem Quantencomputer zur Bewältigung bisher unlösbarer Probleme eingesetzt werden“, – Dr. Darío Gil, Senior Vice President, IBM und Forschungsdirektor. Neben Hardware-Entwicklungen schreiten auch Softwaretools für Quantencomputing voran. Programmiersprachen wie Q# und Qiskit ermöglichen es Entwicklern, Quantenprogramme zu schreiben und diese auf Quantenhardware oder Simulatoren auszuführen. Allerdings steht das Quantencomputing immer noch vor einigen Herausforderungen und Einschränkungen. Der wichtigste Punkt ist die Fehlerkorrektur . Während ein Quantenprogramm läuft, häufen sich schnell Fehler, was Wissenschaftler vor Herausforderungen stellt. Daher ist die Entwicklung wirksamer Fehlerkorrekturmethoden für den Bau großer, zuverlässiger Quantencomputer von entscheidender Bedeutung. Eine weitere wesentliche Einschränkung ist die Skalierbarkeit . Während es bereits Quantencomputer mit Dutzenden oder Hunderten von Qubits gibt, ist der Bau eines großen Quantencomputers mit Tausenden oder Millionen von Qubits immer noch eine Herausforderung. Es besteht jedoch Optimismus, dass diese Herausforderungen in den kommenden Jahren bewältigt werden und der Weg für eine breitere Einführung des Quantencomputings geebnet wird. IBM Quantum-Systeme versprechen, bis 2025 und darüber hinaus auf über 4.000 Qubits zu skalieren.

Wie verändert Quantencomputing die Welt? Anwendungen aus dem wirklichen Leben

Abgesehen davon gibt es bereits mehrere Anwendungsfälle in verschiedenen Branchen, in denen Quantencomputing erstaunliche Ergebnisse zeigt.

Gesundheitspflege

Einer der vielversprechendsten Bereiche ist das Gesundheitswesen. Quantencomputer können das Verhalten von Molekülen und Materialien genauer simulieren als klassische Computer, was die Entdeckung neuer Medikamente und Behandlungen für Krankheiten beschleunigen könnte. Mit Quantenalgorithmen wie dem Variational Quantum Eigensolver (VQE) lässt sich beispielsweise die elektronische Struktur von Molekülen genauer berechnen als mit klassischen Methoden. Darüber hinaus können mithilfe von Quantencomputern große Datensätze aus Krankenakten und klinischen Studien analysiert werden, um neue Ziele für die Arzneimittelforschung zu identifizieren. Ein weiteres Beispiel dafür, wie Quantencomputer im Gesundheitswesen eingesetzt werden könnten, ist das virtuelle Screening von Medikamentenkandidaten. Dabei werden große Datenbanken potenzieller Medikamente durchsucht, um diejenigen mit den gewünschten Eigenschaften zu identifizieren. Quantencomputing ist in der Lage, diesen Prozess zu beschleunigen, indem es große Datenmengen effizient durchsucht, was zu einer schnelleren Entdeckung und Entwicklung von Arzneimitteln führt.

Finanzen

Eine weitere wichtige Anwendung des Quantencomputings könnte in der Optimierung von Problemen liegen, wie sie beispielsweise im Finanzbereich auftreten. Quantencomputing könnte zur Verbesserung der Finanzmodellierung und des Risikomanagements eingesetzt werden. Quantenalgorithmen können beispielsweise genutzt werden, um große Datensätze schnell zu analysieren und Vorhersagen über Markttrends zu treffen. Darüber hinaus kann Quantenkryptographie zur Absicherung von Finanztransaktionen und zum Schutz vor Cyber-Bedrohungen eingesetzt werden. Die Quantenschlüsselverteilung (QKD) ist eine Technik, die die Prinzipien der Quantenmechanik nutzt, um Verschlüsselungsschlüssel sicher zwischen zwei Parteien zu übertragen. QKD nutzt die Kraft verschränkter Qubits, um einen Schlüssel zu erstellen, der unentdeckt nicht abgefangen werden kann.

Logistik

Quantencomputing kann möglicherweise zur Optimierung des Lieferkettenmanagements, zur Senkung der Transportkosten und zur Verbesserung der Lieferzeiten eingesetzt werden. Beispielsweise können Quantenalgorithmen verwendet werden, um schnell die effizientesten Transport- und Verteilungsrouten zu analysieren. Darüber hinaus könnte Quantencomputing zur Lösung komplexer Planungsprobleme eingesetzt werden, wie sie beispielsweise bei der Flug- und Bahnplanung auftreten.

Energie

Quantenalgorithmen können verwendet werden, um das Verhalten von Materialien zu simulieren, die in Energiespeichergeräten verwendet werden, was zur Entwicklung effizienterer Batterien führen kann. Darüber hinaus könnte Quantencomputing zur Optimierung der Energieproduktion eingesetzt werden, indem Wettermuster analysiert und der Energiebedarf vorhergesagt werden.

Herstellung

Da Quantencomputing in der Lage ist, große Datensätze zu analysieren und optimale Produktionspläne vorherzusagen, kann es auch in der Fertigung von großem Nutzen sein. Wie Sie sehen, sind die potenziellen Anwendungen des Quantencomputings vielfältig und es gibt viele Branchen, die durch diese Technologie verändert werden können.

„Ängste“ vor der Zukunft

Aus all dem lässt sich leicht schließen, dass die Auswirkungen des Quantencomputings auf die Gesellschaft erheblich sein werden. Und wie bei jeder anderen revolutionären Technologie gibt es auch beim Quantencomputing einige Risiken. Eine der größten Herausforderungen sind die ethischen und gesellschaftlichen Auswirkungen der Technologie. Quantencomputing birgt das Potenzial, viele der Verschlüsselungsmethoden zur Sicherung sensibler Daten zu zerstören, was zu Datenschutzverletzungen und anderen Sicherheitsbedenken führen könnte. Darüber hinaus könnte Quantencomputing zur Entwicklung neuer Waffen und Technologien genutzt werden, die eine Bedrohung für die globale Sicherheit darstellen könnten.

Zusammenfassung

Während Quantencomputing mehrere Herausforderungen und Risiken mit sich bringt, arbeiten viele Organisationen aktiv daran, diese anzugehen, indem sie neue Verschlüsselungsmethoden entwickeln, Quantenhardware und -software verbessern sowie Schulungs- und Ausbildungsmöglichkeiten anbieten. Daher glauben wir, dass Quantencomputing die Welt im positiven Sinne revolutionieren wird. Durch die Entwicklung robuster und zuverlässiger Quantentechnologien können wir das volle Potenzial des Quantencomputings erschließen und eine bessere Zukunft für die Informatik und die Gesellschaft insgesamt schaffen. Jetzt ist die Zeit zum Handeln gekommen, also entdecken Sie weiterhin die Tech-Welt mit CodeGym!