Definition Quantencomputer Was ist ein Quantencomputer?

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Quantencomputer machen sich die Gesetze der Quantenmechanik zunutze. Sie rechnen nicht mit mit herkömmlichen Bits und den Zuständen 0 und 1, sondern verwenden Quantenbits. Die Qubits können viele verschiedene Zustände gleichzeitig einnehmen und sind miteinander verschränkt. Mit wenigen Qubits lassen sich komplexe Berechnungen binnen kürzester Zeit durchführen. Das Quantencomputing gilt als eine Schlüsseltechnologie der nächsten Jahrzehnte, ist aber aktuell noch kaum praktisch einsetzbar.

Quantencomputer, auch als Quantenprozessoren bezeichnet, rechnen basierend auf den Gesetzen der Quantenmechanik. Im Gegensatz zu herkömmlichen Computern verwenden sie keine Bits, sondern Quantenbits (Qubits). Qubits haben im Vergleich zu herkömmlichen Bits nicht nur die beiden Zustände 0 und 1. Sie können aufgrund des Superpositionsprinzips mehrere Zustände gleichzeitig annehmen und miteinander verschränkt sein. Schon mit wenigen Quantenbits lassen sich komplexe Berechnungen anstellen, da die Rechenleistung mit der Zahl der vorhandenen Qubits exponentiell zunimmt. Die Realisierung von Quantencomputern ist sehr komplex und aufwendig. Aktuell existieren verschiedene technologische Ansätze. Praktisch sinnvoll einsetzbar ist derzeit aber noch kaum ein Quantencomputer. Die Anzahl der realisierten Qubits ist noch sehr gering. Da das Quantencomputing als eine Schlüsseltechnologie der nächsten Jahrzehnte gilt, investieren viele Unternehmen und staatliche Einrichtungen enorme Summen in die Erforschung des Quantencomputings und in die Entwicklung von Quantencomputern. Mögliche Einsatzszenarien sind die Kryptographie, die künstliche Intelligenz oder die Berechnung komplexer wissenschaftlicher Modelle.

Wie funktioniert eine Quantencomputer?

Herkömmliche Computer arbeiten mit Bits. Ein Bit ist die kleinste Informationseinheit und kann die Zustände 0 oder 1 annehmen. Diese Zustände sind physikalisch mit elektrischen Spannungspegeln in Halbleiterbauteilen abgebildet. Ein Computer besitzt eine Vielzahl von Bits. Über logische Verknüpfungen dieser Bits lassen sich Rechenoperationen ausführen. Mithilfe vieler nacheinander ausgeführter Rechenoperationen kann ein Computer komplexe Befehle und komplette Programme abarbeiten.

Quantencomputern liegt ein anderes Funktionsprinzip zugrunde. Sie verwenden sogenannte Quantenbit (Qubits), die den Gesetzen der Quantenmechanik unterliegen. Ein Quantenbit kann aufgrund des Superpositionsprinzips nicht nur die beiden Zustände 0 oder 1, sondern theoretisch beliebige Zwischenzustände gleichzeitig annehmen. Zudem sind Qubits miteinander verschränkt. Ihre Zustände beeinflussen sich gegenseitig ohne einen Zeitverzug. Erst wenn ein Qubit ausgelesen wird, nimmt es den Zustand 0 oder 1 an. Aufgrund dieser Gesetzmäßigkeiten sind Quantencomputer mit Qubits in der Lage, viele Berechnungen in kurzer Zeit gleichzeitig durchzuführen. Rechenschritte müssen nicht wie bei herkömmlichen Computern nacheinander ausgeführt werden. Die Rechenleistung nimmt exponentiell mit der Zahl vorhandener Quantenbits zu.

Wie lassen sich Quantencomputer realisieren?

Quantencomputing ist heute nicht mehr nur ein rein theoretisches Konzept. Mittlerweile existieren verschiedene Ansätze der praktischen Realisierung von Quantencomputern. Die Anzahl realisierbarer Qubits ist allerdings gering und der Aufwand groß. Zur Erzeugung von Qubits kommen verschiedene Technologien zum Einsatz. Die technische Basis bilden Elektronen, Photonen oder Ionen, die den Zustand der Superposition annehmen können. Einige Unternehmen experimentieren mit Quantenchips, auf denen Ströme in supraleitenden Schleifen auf kleinem Raum kreisförmig fließen. Mithilfe von Mikrowellenstrahlung lassen sich die Zustände der Kreisströme beeinflussen und messen. Solche Qubits sind sehr empfindlich und müssen mit großem Aufwand auf niedrigste Temperaturen gekühlt werden. Weitere physikalische Realisierungsansätze sind in magnetischen oder elektrischen Feldern eingesperrte Ionen, Diamantgitter mit Leerstellen oder halbleiterbasierte Quantenpunkte.

Welche Einsatzmöglichkeiten gibt es für Quantencomputer?

Für Quantencomputer bieten sich aufgrund ihrer enormen Rechenleistung zahlreiche Einsatzmöglichkeiten. Beispiele sind:

• Quantenkryptographie zum Verschlüsseln oder Entschlüsseln von Daten

• Lösung komplexer wissenschaftlicher Aufgabenstellungen

• Berechnung komplexer mathematischer Modelle und Simulationen

• Verbesserung der Leistungsfähigkeit von künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen

• umfangreiche Datenabfragen und Datensuchen

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