Was ist Quantencomputing? Die nächste Ära der computergestützten Evolution, erklärt

Wenn Sie zum ersten Mal auf den Begriff „Quantencomputer“ stoßen, halten Sie ihn vielleicht für ein weit hergeholtes Science-Fiction-Konzept und nicht für eine ernsthafte aktuelle Nachricht.

Aber da dieser Begriff immer häufiger verwendet wird, ist es verständlich, dass man sich fragt, was genau Quantencomputer sind, und ebenso verständlich, dass man nicht weiß, wo man eintauchen soll. Hier erfahren Sie, was Quantencomputer sind, warum sie so viel Aufsehen erregen und was sie für Sie bedeuten könnten.

Was ist Quantencomputing und wie funktioniert es?

Alle Berechnungen basieren auf Bits, der kleinsten Informationseinheit, die in einem physischen Medium als „Ein“-Zustand oder „Aus“-Zustand, häufiger als 1 oder 0 bezeichnet, kodiert ist.

Meistens nimmt ein Bit die physische Form eines elektrischen Signals an, das über die Schaltkreise auf der Hauptplatine des Computers übertragen wird. Durch die Aneinanderreihung mehrerer Teile können wir komplexere und nützlichere Dinge wie Text, Musik und mehr darstellen.

Die beiden Hauptunterschiede zwischen Quantenbits und „klassischen“ Bits (von den Computern, die wir heute verwenden) sind die physikalische Form der Bits und dementsprechend die Art der in ihnen kodierten Daten. Die elektrischen Bits eines klassischen Computers können jeweils nur in einem Zustand existieren, entweder 1 oder 0.

Quantenbits (oder „Qubits“) bestehen aus subatomaren Teilchen, nämlich einzelne Photonen oder Elektronen. Da diese subatomaren Teilchen eher den Regeln der Quantenmechanik als der klassischen Mechanik entsprechen, weisen sie die bizarren Eigenschaften von Quantenteilchen auf. Die für Informatiker hervorstechendste dieser Eigenschaften ist die Überlagerung. Dies ist die Idee, dass ein Teilchen gleichzeitig in mehreren Zuständen existieren kann, zumindest bis dieser Zustand gemessen wird und in einen einzigen Zustand zusammenfällt. Durch die Nutzung dieser Überlagerungseigenschaft können Informatiker dies tun Lassen Sie Qubits gleichzeitig eine 1 und eine 0 kodieren.

Die andere quantenmechanische Eigenart, die Quantencomputer zum Laufen bringt, ist die Verschränkung, eine Verbindung zweier Quantenteilchen oder in diesem Fall zweier Qubits. Wenn die beiden Teilchen miteinander verschränkt sind, verändert die Zustandsänderung eines Teilchens den Zustand seines Partners in a Vorhersehbare Weise, was praktisch ist, wenn es darum geht, einen Quantencomputer zu beauftragen, die Antwort auf das Problem zu berechnen Du fütterst es.

Die Qubits eines Quantencomputers beginnen in ihrem 1-und-0-Hybridzustand, wenn der Computer zunächst beginnt, ein Problem zu lösen. Wenn die Lösung gefunden ist, kollabieren die überlagerten Qubits in die richtige Ausrichtung stabiler Einsen und Nullen, um die Lösung zurückzugeben.

Was ist der Vorteil des Quantencomputings?

Abgesehen von der Tatsache, dass sie weit außerhalb der Reichweite aller außer den elitärsten Forschungsteams liegen (und wahrscheinlich auch noch eine Weile so bleiben werden), haben die meisten von uns keinen großen Nutzen für Quantencomputer. Für die Aufgaben, die wir am häufigsten erledigen, bieten sie gegenüber klassischen Computern keinen wirklichen Vorteil.

Allerdings fällt es selbst den beeindruckendsten klassischen Supercomputern aufgrund ihrer inhärenten Rechenkomplexität schwer, bestimmte Probleme zu lösen. Dies liegt daran, dass einige Berechnungen nur mit roher Gewalt durchgeführt werden können, indem man rät, bis die Antwort gefunden ist. Am Ende stehen ihnen so viele mögliche Lösungen zur Verfügung, dass es Tausende von Jahren dauern würde, bis alle Supercomputer der Welt zusammen die richtige Lösung gefunden hätten.

Die Überlagerungseigenschaft von Qubits kann es Supercomputern ermöglichen, diese Ratezeit drastisch zu verkürzen. Die mühsamen Trial-and-Error-Berechnungen der klassischen Informatik können immer nur eine Vermutung auf einmal anstellen, während der duale 1-und-0-Zustand der Qubits eines Quantencomputers es ihm ermöglicht, mehrere Vermutungen gleichzeitig anzustellen Zeit.

Welche Art von Problemen erfordern also all diese zeitaufwändigen Rätselraten? Ein Beispiel ist die Simulation atomarer Strukturen, insbesondere wenn diese chemisch mit denen anderer Atome interagieren. Mit einem Quantencomputer, der die Atommodellierung antreibt, könnten Forscher in den Materialwissenschaften neue Verbindungen für den Einsatz in Technik und Fertigung herstellen. Quantencomputer eignen sich gut zur Simulation ähnlich komplexer Systeme wie wirtschaftlicher Marktkräfte, astrophysikalischer Dynamik oder genetischer Mutationsmuster in Organismen, um nur einige zu nennen.

Neben all diesen im Allgemeinen harmlosen Anwendungen dieser neuen Technologie gibt es jedoch auch einige Anwendungen von Quantencomputern, die Anlass zu ernsthafter Sorge geben. Der mit Abstand am häufigsten genannte Schaden ist das Potenzial von Quantencomputern Brechen Sie einige der stärksten derzeit verwendeten Verschlüsselungsalgorithmen.

In den Händen eines aggressiven ausländischen Regierungsgegners könnten Quantencomputer einen weiten Bereich gefährden des ansonsten sicheren Internetverkehrs, wodurch sensible Kommunikation anfällig für weit verbreitete Übertragungen wird Überwachung. Derzeit wird an der Weiterentwicklung von Verschlüsselungsverfahren gearbeitet, die auf noch schwierigen Berechnungen basieren Selbst Quantencomputer sind dafür geeignet, aber sie sind derzeit noch nicht alle reif für die Hauptsendezeit oder weit verbreitet.

Ist Quantencomputing überhaupt möglich?

Vor etwas mehr als einem Jahrzehnt steckte die eigentliche Herstellung von Quantencomputern gerade erst in den Kinderschuhen. Ab den 2010er Jahren begann jedoch die Entwicklung funktionierender Prototypen von Quantencomputern. Eine Reihe von Unternehmen haben bereits vor einigen Jahren funktionsfähige Quantencomputer zusammengebaut, wobei IBM sogar so weit ging, Forschern und Bastlern dies zu ermöglichen über die Cloud eigene Programme darauf ausführen.

Trotz der Fortschritte, die Unternehmen wie IBM zweifellos beim Bau funktionierender Prototypen gemacht haben, stecken Quantencomputer noch in den Kinderschuhen. Derzeit erfordern die von Forschungsteams bisher konstruierten Quantencomputer einen hohen Aufwand für die Fehlerkorrektur. Auf jedes Qubit, das tatsächlich eine Rechnung durchführt, kommen mehrere Dutzend, deren Aufgabe es ist, den Fehler des einen zu kompensieren. Die Gesamtheit all dieser Qubits ergibt ein sogenanntes „logisches Qubit“.

Um es kurz zu machen: Industrie- und akademische Giganten haben Quantencomputer zum Laufen gebracht, aber sie tun dies sehr ineffizient.

Wer hat einen Quantencomputer?

Es herrscht immer noch ein harter Wettbewerb zwischen Quantencomputerforschern, zwischen großen und kleinen Akteuren gleichermaßen. Zu denjenigen, die über funktionierende Quantencomputer verfügen, gehören die traditionell dominanten Technologieunternehmen, die man erwarten würde: IBM, Intel, Microsoft und Google.

So anspruchsvoll und kostspielig die Entwicklung eines Quantencomputers auch ist, es gibt überraschend viele kleinere Unternehmen und sogar Startups, die sich dieser Herausforderung stellen.

Die vergleichsweise schlanke D-Wave Systems hat viele Fortschritte auf diesem Gebiet vorangetrieben und bewies, dass es nicht außer Streit war, indem er auf Googles bedeutsame Ankündigung mit der Nachricht von a antwortete Großer Deal mit den Los Alamos National Labs. Aber auch kleinere Konkurrenten wie Rigetti Computing sind im Rennen sich als Innovatoren im Bereich Quantencomputing zu etablieren.

Je nachdem, wen man fragt, bekommt man einen anderen Spitzenkandidaten für den „leistungsstärksten“ Quantencomputer. Google hat mit seinem kürzlich sicherlich seine Argumente vorgebracht Erlangung der Quantenüberlegenheit, eine Metrik, die Google mehr oder weniger selbst entwickelt hat. Quantenüberlegenheit ist der Punkt, an dem ein Quantencomputer erstmals in der Lage ist, einen klassischen Computer bei einigen Berechnungen zu übertreffen. Googles Sycamore-Prototyp Ausgestattet mit 54 Qubits konnte diese Barriere durchbrochen werden, indem ein Problem in knapp weniger als einem Jahr durchbrochen wurde Dreieinhalb Minuten, für deren Betrieb der mächtigste klassische Supercomputer 10.000 Jahre brauchen würde durch.

Um nicht zu übertreffen, prahlt D-Wave damit, dass die Geräte, die es bald nach Los Alamos liefern wird, jeweils 5000 Qubits wiegen, obwohl dies zu beachten ist Die Qualität der Qubits von D-Wave wurde bereits zuvor in Frage gestellt. IBM hat in den letzten Jahren nicht so viel Aufsehen erregt wie Google und D-Wave, aber auch sie sollten noch nicht außer Acht gelassen werden, insbesondere wenn man ihren Erfolg berücksichtigt Aufzeichnung langsamer und stetiger Erfolge.

Vereinfacht gesagt ist das Rennen um den leistungsstärksten Quantencomputer der Welt so offen wie nie zuvor.

Wird Quantencomputing das traditionelle Computing ersetzen?

Die kurze Antwort darauf lautet „nicht wirklich“, zumindest für die nahe Zukunft. Quantencomputer erfordern für den Betrieb eine enorme Menge an Ausrüstung und fein abgestimmte Umgebungen. Die führende Architektur erfordert eine Kühlung auf nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt, was bedeutet, dass sie für normale Verbraucher bei weitem nicht praktikabel sind.

Aber wie die explosionsartige Verbreitung des Cloud Computing gezeigt hat, muss man keinen speziellen Computer besitzen, um dessen Fähigkeiten zu nutzen. Wie oben erwähnt, bietet IBM mutigen Technikbegeisterten bereits die Möglichkeit, Programme auf einer kleinen Teilmenge davon auszuführen Die Qubits von Q System One. Mit der Zeit werden IBM und seine Konkurrenten wahrscheinlich Rechenzeit auf robusteren Quantencomputern für diejenigen verkaufen, die daran interessiert sind, sie auf ansonsten undurchschaubare Probleme anzuwenden.

Aber wenn Sie nicht die Art außergewöhnlich kniffliger Probleme erforschen, die Quantencomputer lösen sollen, werden Sie wahrscheinlich nicht viel mit ihnen interagieren. Tatsächlich sind Quantencomputer in manchen Fällen bei der Art von Aufgaben, für die wir Computer jeden Tag nutzen, schlechter, allein schon deshalb, weil Quantencomputer so hochspezialisiert sind. Sofern Sie kein Akademiker sind, der die Art der Modellierung betreibt, bei der Quantencomputing floriert, werden Sie wahrscheinlich nie eines in die Hände bekommen und müssen es auch nie.

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