Quantencomputer, Entwicklung in großen Schritten!

Bild IBM Quantencomputer. (Bild Quelle IBM).
Bild IBM Quantencomputer. (Bild Quelle IBM).

Quantencomputer – Eine Entwicklung mit hohen Zukunftserwartungen.

Noch vor wenigen Jahren galten Quantencomputer als eine theoretische Erfindung, deren Umsetzung in der Kontroverse stand. Mit neuesten Entwicklungen geraten Quantencomputer nun in den Mittelpunkt der Forschung. Von ihnen erhofft man sich, bislang komplexe IT-Probleme schneller und ressourcensparender lösen zu können.

Funktionsweise
In den vergangenen Jahrzehnten haben sich Digitalcomputer in nahezu allen Haushalten etabliert. Mit ihrer Arbeitsweise sind wir eng vertraut. Der Computer ähnelt einer Schaltmaschine, mit der wir eine Vielzahl an Operationen ausführen können. Ein Doppelklick auf das Browsersymbol ermöglicht uns den Zugang zum Internet, verschieben wir eine Datei in den Papierkorb, kann sie nicht mehr geöffnet werden. Von bisherigen Digitalcomputern unterscheiden sich Quantenrechner in ihrer Funktionsweise.

Statt einem Algorithmus mit klaren Anweisungen zu folgen, arbeitet ein Quantencomputer nach dem Prinzip der Überlagerung. Die Aufgabe des Entwicklers besteht darin, Überlagerungen so zu programmieren, dass sich ein Interferenzmuster ergibt. Das Aussehen des Interferenzmusters lässt auf das Resultat und damit auf die Lösung der Aufgabe schließen. Dies kann man sich mit einer einfachen Analogie veranschaulichen. Man stelle sich vor, man werfe einen Stein auf eine Wasseroberfläche. Entstehende Wellen interferieren miteinander und ergeben ein Muster. Aus dem Muster lässt sich der Aufprall des Steines erschließen. Werden nun viele Steine verteilt über die Wasseroberfläche geworfen, ergibt sich ein kompliziertes Interferenzmuster. Mit bloßem Auge sind die Aufprallorte nicht mehr wiederzuerkennen. Die Aufgabe eines Quantenrechners ist es, solche Interferenzmuster richtig auszuwerten.

Entwicklung
Die Leistungsstärke eines Quantenrechners wird in Qubits gemessen. Dies ist ein Maß zur Speicherung von Quanteninformationen, vergleichbar mit dem klassischen Bit eines Digitalrechners. Ein erster Durchbruch gelang mit einem Quantencomputer am IBM Almaden Research Center. Er hatte eine Leistung von 7 Qubits und konnte die Zahl 15 in ihre Primfaktoren 3 und 5, beruhend auf dem Shors Algorithmus, zerlegen. Am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck wurde im Jahr 2005 ein Quantencomputer mit einer Leistung von 8 Qubits gebaut und wird noch heute fortentwickelt. Im Jahr 2015 stellten die NASA und Google einen revolutionären Quantencomputer mit einer Leistung von mehr als 1.000 Qubits vor. Der Quantencomputer wurde zur Lösung von Optimierungsproblemen entwickelt und kann komplexe Aufgaben 100 Millionen Mal schneller als ein vergleichbar großer Digitalrechner lösen.

Quantencomputer in der Zukunft
Von Quantencomputern erhofft man sich, Herausforderungen in der IT-Welt schneller lösen zu können. Dies betrifft Problemstellungen, bei denen eine große Menge an Daten ausgewertet werden muss. Bisherige Bestrebungen liegen in der Entwicklung eines Quantencomputers, der Verschlüsselungen innerhalb von Sekunden knacken und selbst sichere Verschlüsselungen entwickeln kann. Weitere Einsatzgebiete sind die Routenberechnung in Navigationssystemen, die Auswertung von Klimadaten und die Mustererkennung in Datensätzen.