Quantencomputer: Alleskönner mit Einschränkungen

Quantencomputer sind sehr mächtige Maschinen, welche unser Leben in den nächsten zehn bis zwanzig Jahren maßgeblich verändern werden. Mit der Erforschung der Wesenszüge der Quantenphysik gelingt es Wissenschaftlern mittlerweile, die Eigenschaften von sogenannten „Qubits“ so zu nutzen, dass mehrere Rechenvorgänge mithilfe eines Quantencomputers parallel durchgeführt werden können. Werden die Quanteneigenschaften richtig interpretiert und verwendet, so können uns diese im Zusammenspiel mit hochkomplexen Messinstrumenten dazu verhelfen, in Zukunft Rechenaufgaben zu lösen, welche bisher die stärksten herkömmlichen Computer der Welt an ihre Grenzen bringen. Im Herbst 2019 kündigte Google beispielsweise im Journal „Nature“ an, dass es Ihnen gelungen sei, den sogenannten „Meilenstein der Quantenüberlegenheit“ zu erreichen. Dieser Meilenstein wurde 2012 von dem Physiker John Preskill als der Zeitpunkt definiert, an dem ein Quantencomputer im Vergleich zum weltweit stärksten Supercomputer eine Rechenaufgabe erstmalig deutlich schneller lösen kann. Dabei muss die Berechnung nicht sinnvoll sein: Ähnlich wie der Wright-Flyer von 1903 oder die nukleare Kettenreaktion von Enrico Fermi im Jahr 1942 muss sie beispielsweise nur eine bestimmte Zahlkombination oder Eigenschaft einer Zahlenreihe beweisen [i]. Aufbauend darauf stellt sich die Wissenschaft zurecht die Frage: Lassen sich die mit den Quanteneigenschaften verbundenen Möglichkeiten auch auf andere Bereiche der Informatik ausweiten, oder handelt es sich bei den Quantencomputern vielmehr um Koryphäen einer ganz speziellen Nische?

Berechnungen so schnell wie das Licht

Wie bereits deutlich wurde nutzen Quantencomputer im Vergleich zu herkömmlicher Computertechnik eine gänzlich andere technische Grundlage für die Durchführung von Berechnungen. Die Eigenschaften der Quanten sind es, die es ermöglichen, dass Quantencomputer einzelne Rechenaufgaben parallel durchführen können, wohingegen ein normaler Computer die einzelnen Rechenschritte meist nacheinander abarbeitet. Vor allem hinsichtlich der Geschwindigkeit, also wie schnell Quantencomputer letztendlich sehr komplizierte Rechenaufgaben lösen können, bedeutet diese Eigenschaft einen enormen Zugewinn im Bezug auf den Gesamtnutzen eines solchen Systems. Die allgemeine Einheit anhand der sich die Geschwindigkeit und die Leistung von Computern miteinander vergleichen lässt nennt sich „Flops“ (Floating Operations per Second), oder in Deutsch: Fließkomma Berechnungen pro Sekunde. Den Quantencomputern wird vorausgesagt, dass diese in Zukunft den besten Supercomputern auf Basis der herkömmlichen Technologien weit überlegen sein werden. Um dies zu veranschaulichen folgt nun ein kurzes Beispiel: Haben die heutigen Supercomputer eine Spitzenleistung von etwa 200 Petaflops oder 200.000 Billionen Berechnungen pro Sekunde erreicht, so geht man davon aus, dass in Zukunft Quantencomputer existieren werden, welche eine Milliarde Mal mehr Rechenleistung erreichen können [ii]. Aus diesem Geschwindigkeits- und Leistungsvorteil ergeben sich für die Quantencomputer viele Vorteile. Nach Ansicht der Wissenschaftler werden Quantencomputer in der Lage sein, genau die Probleme zu lösen, bei denen aktuell die herkömmlichen Supercomputer an ihre Grenzen stoßen. Folglich können Quantencomputer überall revolutionieren – von der Pharmazie bis zur Ölindustrie. Besonders komplexe mathematische Probleme in Physik und Chemie können schnell gelöst werden. Es werden neue Medikamente geschaffen oder kommerzielle Algorithmen von Finanzinstituten stetig weiter verbessert. Selbst die frühen Formen der künstlichen Intelligenz, an denen Wissenschaftler geforscht hatten, könnten damit bald deutlich verbessert und nachträglich überarbeitet werden. Quantencomputer werden uns dabei helfen unsere Welt, die Natur und unser gesamtes Universum besser verstehen zu können. Damit schafft diese Schlüsseltechnologie uns die Möglichkeiten und Strategien die wir benötigen, um die großen Probleme unserer Zeit, welche sowohl für uns als Menschen, als auch für unsere aktuell besten Supercomputer in ihrer Komplexität nicht mehr zu erfassen sind, zu lösen [iii].

Die Grenzen von Quantencomputern

Mögen die Vorteile und Neuerungen die mit dem herausragenden Leistungszuwachs der Quantencomputer in Verbindung stehen noch so beeindruckend sein, die Wahrheit ist jedoch: Auch Quantencomputer besitzen Leistungsgrenzen und Einschränkungen in der Art und Weise wie Probleme durch die Nutzung der Quanteneigenschaften gelöst werden können. Der größte Nachteil ist die Tatsache, dass die Quantenphysik im Allgemeinen noch nicht vollständig erforscht wurde. Auch aus diesem Grund tauchen immer wieder neue Studien darüber auf, wie ein finaler Quantencomputer letztendlich in einer kompakten Bauweise einmal genau aussehen könnte. Bis heute sind sich die Experten in diesem Punkt nicht einig und somit wird weiter mit Hochdruck an der perfekten Bauweise geforscht. Führende Wissenschaftler, welche sich mit der Erforschung und Entwicklung von Quantencomputern beschäftigen, gehen davon aus, dass es womöglich noch Jahrzehnte dauern wird, bis ein Quantencomputer in einer kompakten Bauweise dem Massenmarkt zugänglich gemacht werden kann. Denn die Umgebungsvoraussetzungen, die geschaffen werden müssen, um einen Quantencomputer in einem stabilen funktionsfähigen Zustand zu halten, sind extrem. Der Quantenprozessor muss dauerhaft auf einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt gehalten werden. Der Nullpunkt ist die niedrigste Temperatur überhaupt, wodurch es sehr schwer ist in der Praxis kontrolliert diesen Zustand dauerhaft aufrechtzuerhalten. Dementsprechend sind die aktuellen Quantencomputer auch noch sehr instabil und somit meist nur in sehr kurzen Zeiträumen vollumfänglich funktionsfähig [iv]. Damit ein Quantencomputer sein volles Potenzial ausschöpfen kann, müssen Quantenalgorithmen formuliert werden. Quantenalgorithmen können das Phänomen der Quantenparallelität ausnutzen. Diese Algorithmen sind jedoch in ihrer Herleitung beziehungsweise Erstellung nicht einfach zu formulieren und werden auch in Zukunft noch viel Forschungs- und Entwicklungsarbeit beanspruchen. Ein bekanntes Beispiel für einen der Algorithmen ist der Quantenfaktorisierungsalgorithmus, der von Peter Shor von den AT&T Bell-Labors entwickelt wurde. Der Algorithmus löst das Problem der Faktorisierung großer Zahlen in ihre Primfaktoren. Diese Aufgabe ist klassischerweise auf Basis der aktuellen Computertechnologie sehr schwer zu lösen. Der Algorithmus von Shor nutzt auf geschickte Weise die Effekte der Quantenparallelität, um die Ergebnisse des Primfaktorzerlegungsproblems in Sekundenschnelle auszurechnen. In diesem Beispiel ist es gelungen einen sehr effizienten Algorithmus zu entwickeln, welcher die Vorteile der Quantenphysik ausnutzen kann. Dieser Algorithmus kann jedoch nur auf das beschriebene und sehr spezielle Problem angewendet werden und besitzt keine Allgemeingültigkeit. Er ist auch nicht übertragbar auf andere Sachverhalte, wodurch die Wissenschaftler für die Lösung anderer Rechenprobleme gezwungen sind, neue Algorithmen zu entwerfen, die auf Basis der Eigenschaften der Quantenphysik genutzt werden können [v].

Ausblick auf zukünftige Entwicklungen

In Bezug auf die Fähigkeiten aktuell verfügbarer Quantencomputer wird deutlich, dass sich der Einsatz dieser momentan nur für die Lösung von vordefinierten, aber dafür sehr komplexen Rechenaufgaben wirklich lohnt. Die Umgebungsbedingungen die ein Quantencomputer benötigt, sodass dieser in einem stabilen Zustand voll funktionsfähig arbeiten kann, sind aktuell das Hauptproblem, um ihn tatsächlich als Personalcomputer weiterzuentwickeln und ihn dahingehend dem alltäglichen Verbraucher in einer annehmbaren Preisklasse zur Verfügung stellen zu können. Es wird vergleichbar sein mit der Einführung von herkömmlichen Computern. Diese hatten zu ihren Anfangszeiten die Größe eines Raumes und waren sehr kostspielig. Dann wurden sie immer kleiner und kleiner und kamen schließlich auf den Markt der Normalverbraucher. Höchstwahrscheinlich wird die gleiche Art von Übergang von diesen Computern zu den Quantencomputern stattfinden, zunächst werden sie nur für große Unternehmen zugänglich sein und in einigen Jahrzehnten werden diese vermutlich auch auf dem kommerziellen Markt erhältlich sein. Die Hauptverlierer der Quantencomputer sind wieder die Unternehmen, die aus den Lektionen der Geschichte nichts gelernt haben. Wer als Unternehmen in der Mitte des 20. Jahrhunderts nicht in Computer investiert hat und bei den Lochkarten- und Tabellierungstechnologie geblieben ist, weil an das Potenzial des Computers einfach nicht geglaubt wurde, hat langfristig die eigene Wettbewerbsfähigkeit verloren. Diese Unternehmen, vor allem aus der Technologiebranche, spielen heutzutage kaum mehr eine Rolle. Der einzige Unterschied ist, dass damals, zu Beginn des 20. Jahrhunderts, viele Menschen keine Ahnung davon hatten, dass eine Maschine die Welt so sehr verändern könnte, wie es der Computer damals getan hat und immer noch tut. Das ist heute anders. Heute vertrauen viele Menschen und Unternehmen dem Moore‘schen Gesetz und der damit einhergehenden stetigen Weiterentwicklung der Technik, was den Wettlauf um den ersten kommerziellen Quantencomputer in doppelter Hinsicht zukünftig noch weiter verstärken wird [vi].

Quellenangaben

[i] Aarson, Scott: Why Google’s Quantum Supremacy Milestone Matters, Artikel, 30.10.2019. https://www.nytimes.com/2019/10/30/opinion/google-quantum-computer-sycamore.html (Zugriff: 20.02.2020)
[ii];[v] Alan2000alex: Quantum Computing – pros and cons, Blogbeitrag. https://www.geeksforgeeks.org/quantum-computing-pros-and-cons/(Zugriff: 20.02.2020)
[iv];[vi] Sharlow, Daniel: Disadvantages, Blogbeitrag. https://danielsharlow.wordpress.com/disadvantages/ (Zugriff: 24.02.2020)