Quantencomputing: aktuelle Entwicklungen

Inhaltsverzeichnis

1. Was ist Quantencomputing?
2. Grundlagen des Quantencomputings
3. Aktuelle Neuigkeiten und Fortschritte im Quantencomputing

Was ist Quantencomputing?

Quantencomputing nutzt die Prinzipien der Quantenmechanik, um Berechnungen exponentiell schneller als klassische Computer durchzuführen. Dadurch können Quantencomputer gleichzeitig mehrere Zustände einnehmen, was zu einer enormen Parallelität führt und komplexe Probleme effizienter löst. Das bedeutet, dass mehrere Berechnungen zeitgleich zueinander bearbeitet werden.

Diese Technologie eröffnet neue Möglichkeiten in Bereichen wie Kryptographie (Verschlüsselungstechnik), Materialwissenschaften sowie maschinellem Lernen und revolutioniert damit die Elektronik- und Technologiebranche.

Grundlagen des Quantencomputings

• Qubits: Im Gegensatz zu herkömmlichen Bits können Quantenbits (Qubits) nicht nur die Zustände 0 und 1, sondern auch Überlagerungen dieser Kategorien annehmen, was als Superposition bezeichnet wird.
• Überlagerung/Superposition: Dieser Effekt beschreibt die Fähigkeit von Qubits, gleichzeitig in mehreren Zuständen zu existieren. Tritt dieses Phänomen ein, kommt es zu einer enormen Parallelität, wodurch Quantencomputer viele Berechnungen gleichzeitig durchführen können.
• Verschränkung: Qubits können miteinander verschränkt werden. Das bedeutet, dass der Zustand eines Qubits direkt von der Beschaffenheit eines anderen abhängt, unabhängig von der Entfernung zwischen ihnen. Dies ist eine Schlüsselressource für Quantencomputing, insbesondere für Algorithmen wie die Quantenfehlerkorrektur und Quanten-Teleportation.

Aktuelle Neuigkeiten und Fortschritte im Quantencomputing

Die Geburtsstunde des ersten Quantencomputers schlug 1990. Allerdings verfügte das damalige Modell im Gegensatz zum ersten deutschen Nachfolger 2021 nur über wenige Qubits. Dieser Quantencomputer, der 31 Jahre später von der International Business Machines Corporation (IBM) entwickelt wurde, konnte mit über 1000 Qubits in Betrieb genommen werden. Noch heute ist IBM einer der führenden Akteure im Quantencomputing.

Auch an der Stanford University, dem California Institute of Technology, der University of Tokyo sowie der University of Science and Technology of China wird intensiv an Quantencomputern geforscht. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse müssen ständig neu bewertet werden, um die Datenverarbeitung nachhaltig zu verändern. Was man heute wissen sollte:

Fortschritte in der Hardwareentwicklung

Durch die beständige Forschung und Entwicklung von geeigneter Hardware macht auch die kommerzielle Nutzung von Quantencomputern mittlerweile bedeutende Fortschritte. So konnte bereits eine Verbesserung der Superkonduktoren und Photonen erzielt werden, was zu mehr Stabilität und Leistung führt. Besonders in den Bereichen Cybersicherheit, Pharmazeutika, Finanzen sowie der modernen Fertigungsindustrie gilt Quantenhardware als vielversprechend.

Ein weiterer technischer Meilenstein: Die International Business Machines Corporation (IBM) hat bedeutende Fortschritte in der Hardwareentwicklung für Quantencomputer gemacht; Insbesondere mit der Einführung neuer Prozessoren und Systeme, die die Skalierbarkeit und Leistungsfähigkeit dieser Technologie erheblich verbessern. Hervorzuheben sind dabei besonders:

• IBM Quantum Heron Prozessor: Der 133-Qubit-Prozessor zeichnet sich durch eine erheblich reduzierte Fehlerquote und mehr Leistung im Vergleich zu früheren Modellen aus. Er verwendet festfrequente Qubits mit abstimmbaren Kopplern, was zu einer deutlichen Verbesserung der Leistung gegenüber dem früheren Eagle-Prozessor führt.
• IBM Quantum System Two: Das modulare System integriert mehrere Heron-Prozessoren und bietet eine flexible, erweiterbare Plattform für Quantenrechnungen. Es kombiniert kryogene Infrastruktur mit Steuerungselektronik der dritten Generation und klassischen Laufzeitservern. Dieses System ist darauf ausgelegt, parallellaufende Quantenkreise zu ermöglichen und somit die Grundlage für das quanten-zentrierte Supercomputing zu legen.

Öffentliche Verfügbarkeit über Cloud-Dienste

Auch wenn die Technologie noch nicht vollends ausgereift ist, existieren Quantencomputer für die Allgemeinheit nicht mehr nur in der bloßen Theorie. Was lange Zeit spezialisierten Physikern vorbehalten war, steht mittlerweile auch anderen Nutzern offen: das Schreiben von Quantenprogrammen. Möglich machen es Cloud-Dienste sowie diverse Open-Source-Softwareumgebungen.

Herausforderung Dekohärenz

Dekohärenz stellt eines der größten Probleme im Bereich des Quantencomputings dar. Diese tritt auf, wenn ein Quantensystem in Wechselwirkung mit seiner Umgebung tritt. Solche Phänomene entstehen etwa aufgrund von thermischen Fluktuationen, externen elektromagnetischen Feldern oder eines Materialdefekts.

Derartige Korrelationen führen dazu, dass die quantenmechanischen Beschaffenheiten sich wie klassische Zustände verhalten, weshalb die Vorteile der Quantenmechanik verloren gehen. Die Quantenkohärenz kann nicht mehr aufrecht gehalten werden und die einzigartigen Quanteneigenschaften wie Überlagerung und Verschränkung sind nicht mehr existent.

Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Qubits leiden erheblich unter diesem Effekt, wodurch die Rechner komplexe Berechnungen nur mehr beeinträchtigt bewältigen können. Erst wenn die Forschung valide Methoden gefunden hat, die Dekohärenz zu kontrollieren und aktiv zu minimieren, kann das Quantencomputing verlässlich realisiert werden.

Unzureichende Fehlerkorrektur

Aber nicht nur die Dekohärenz stellt ein Hindernis für den Fortschritt bei der Entwicklung von Quantencomputern dar. Die leistungsfähigen Rechner sind sehr fehleranfällig und herkömmliche Fehlerkorrekturmethoden aus der klassischen Informatik lassen sich nicht direkt auf sie anwenden.

Schwierigkeiten bereitet zudem das No-Cloning-Theorem, das besagt, dass Quanteninformation nicht exakt kopiert werden kann, ohne das Original zu verändern. Außerdem stört die ständige Beobachtung das Quantensystem. Die Implementierung von Quantenfehlerkorrekturen erfordert viele zusätzliche Qubits und komplexe Fehlerkorrekturcodes, was die Skalierbarkeit erschwert.

Trotz dieser großen Herausforderungen muss eine effiziente Methode zur Fehlerkorrektur gefunden werden. Sie trägt zur Qualitätssicherung bei und ist damit entscheidend für den Fortschritt und die praktische Anwendung von Quantencomputern.