Was ist Quantum Computing?

Bevor in den 1980er-Jahren erste Überlegungen zum Rechnen mit Quantencomputern aufkamen, gingen die meisten Informatiker:innen davon aus, dass sie mit klassischen Computern alles im physikalischen Universum berechnen können, was berechenbar ist – vom Aktienmarkt bis zur Astrophysik. In chemischen Verfahren jedoch geraten Wissenschaftler:innen, z.B. wenn es um die Simulationen von relativ einfachen Molekülen oder Reaktionen geht, mit herkömmlichen Computern immer wieder an Grenzen. Die Komplexität in der Berechnung steigt exponentiell, Speicher- und Rechenkapazitäten sind jedoch begrenzt. Zudem erschweren Quanteneffekte die Modellierung. Quanten-was? Auf dieses Phänomen der Quantenmechanik kommen wir später noch zu sprechen. Quantencomputer bieten vielversprechende Möglichkeiten, diese Herausforderungen zu überwinden und komplexe chemische Systeme besser zu simulieren, indem sie parallele Berechnungen und Quanteneffekte nutzen.

Um zu verstehen, was genau die Qubits zu kleinen Superhelden macht, werfen wir einen Blick auf die Basics der Quantenmechanik. Eine zentrale Idee in der Quantenmechanik ist die Existenz von Quantenbits (Qubits). Im Gegensatz zu herkömmlichen Bits, die bekanntlich entweder den Wert 0 oder 1 haben, können Qubits aufgrund ihrer quantenmechanischen Natur gleichzeitig 0 und 1 sein. Aber das ist noch nicht alles: Sie können sogar alles dazwischen sein z.B. auch 0,. Werden sie gemessen, haben sie allerdings entweder den Zustand 1 oder 0. Dieser Zwischenzustand zwischen 1 und 0, den Quantenbits für eine bestimmte Zeitspanne einnehmen können, wird als Superposition bezeichnet.

Du kannst es Dir wie eine Münze vorstellen. Stellt sie ein Bit dar, liegt entweder die Seite mit der Zahl oben oder die Kopfseite. Stellt sie ein Qubit dar, rotiert sie und dreht sich schnell um sich selbst. In diesem Zustand kannst Du nicht sagen, ob Zahl oder Kopf oben ist. Erst wenn Du den Vorgang stoppst und den Ausgang misst, liegt ein eindeutiges Ergebnis vor.

Beim Tanz der Teilchen sichern sich Quantenbits einen gewaltigen Vorsprung. Sie sind durch die Superposition viel effizienter. Warum? Das lässt sich an einem einfachen Beispiel erklären: Zwei Bits können in einem herkömmlichen Computer immer nur eine Zahl zwischen 0 und 3 auf einmal darstellen, also [0,0], [1,0], [0,1] und [1,1]. Ein Qubit hingegen kann alle diese Zahlen und theoretisch noch unendlich mehr Zustände annehmen, und zwar gleichzeitig. Das macht den Quantencomputer wesentlich schneller. Anders als Dein normaler PC führt ein Quantencomputer, Dank der Quantenbits und ihrer Superpower, der Überlagerung der Zustände, viele Berechnungen parallel durch.

Es hängt jedoch von der spezifischen Aufgabe und der Anzahl der Qubits ab, wie viel schneller der Quantencomputer rechnet. Zwei Qubits können 4, drei Qubits 8, vier Qubits 16 Zustände speichern und so weiter. Jedes weitere Quantenbit verdoppelt die Zahl der möglichen Zustände, die das System gleichzeitig speichert.

Aber das ist noch nicht alles. Quantenbits können darüber hinaus miteinander verschränkt sein. Eine Verschränkung kann entstehen, wenn zwei Qubits miteinander wechselwirken, z.B. über ihre Magnetfelder. Die Quantenverschränkung, oder englisch Entanglement, findet dann statt, wenn die Quantenbits in Superposition, also dem Zwischenzustand sind.

Mit der Verschränkung können größere Mengen von Superpositionen dargestellt werden. Ein Phänomen, das dabei auftritt, hat Albert Einstein "Spukhafte Fernwirkung" genannt und bereitet Physikern und Philosophinnen Kopfzerbrechen: Verschränkte Quantenbits sind abhängig voneinander. Wird der Zustand eines Quantenbits durch eine Messung festgelegt, werden zeitgleich auch alle Partner beeinflusst. Sogar dann, wenn beide räumlich getrennt und sogar kilometerweit auseinander sind. Klingt ein bisschen wie teleportieren, oder? Doch bevor wir in Zukunft vielleicht doch irgendwann beamen können, wird dieses Phänomen z.B. für eine abhörsichere Datenübertragung spannend werden. Verschränkte Quantenzustände eröffnen auch bei der Speicherung und Verarbeitung von Informationen ganz neue Möglichkeiten.

Um Berechnungen durchzuführen, setzen Quantencomputer auf Quantengatter, die ähnlich wie logische Gatter in herkömmlichen Computern funktionieren. Mit Quantengattern werden Operationen auf den Qubits durchgeführt und die Ergebnisse miteinander verknüpft. Quantengatter spielen in der Berechnung eine entscheidende Rolle: sie ermöglichen es Quantencomputern, komplexe Probleme schneller und effizienter zu lösen als herkömmliche Computer.

Mit Quantenalgorithmen kannst Du viele physikalische Berechnungen wesentlich schneller erledigen. Auf dem Feld der Informatik beschleunigen diese Algorithmen z.B. die Suche in extrem großen Datenbanken und können die Faktorisierung großer Zahlen, wie den für kryptografische Verfahren wichtigen Shor-Algorithmus sehr viel effizienter lösen als "klassische" Algorithmen.

Wenn es um Verschlüsselungsverfahren geht, können Quantencomputer tatsächlich zur Bedrohung werden. Heute nutzen wir gängige Verschlüsselungsverfahren wie Public Key oder die Elliptische Kurven-Kryptografie, um unsere Daten zu schützen. Selbst für leistungsfähige klassische Computer ist es praktisch unmöglich, so große Zahlen zu faktorisieren oder diskrete Logarithmen zu berechnen. Diese Aufgaben sind die Basis für die Kryptografie hinter den Verschlüsselungsverfahren und machen sie sicher.

Quantencomputer können jedoch genau das. Der Shor-Algorithmus macht's möglich. Mit dem können Quantencomputer die bisherige Sicherheit dieser Verschlüsselungsverfahren, die auf symmetrischen Kryptosystemen basieren, aushebeln. Stell Dir vor, Deine E-Mails oder Banktransaktionen könnten von einem Quantencomputer im Nu entschlüsselt werden. Ziemlich uncool, aber keine Panik! Die Krypto-Community ist sich dieser Herausforderung bewusst und forscht an neuen Verschlüsselungsmöglichkeiten, die Angriffen von Quantencomputern standhalten. Diese werden als Post-Quantum-Kryptografie bezeichnet. Hier geht's darum, neue mathematische Algorithmen zu entwickeln, die Quantencomputer nicht so leicht knacken können wie codebasierte oder gitterbasierte Verfahren. Um sicherzustellen, dass unsere Daten in Zukunft sicher sind, arbeiten Unternehmen und Regierungen daran, auf diesen D-Day vorbereitet zu sein. Für das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) ist es keine Frage mehr, ob und wann es Quantencomputer geben wird. Es wurden erste Post-Quanten-Verfahren vom National Institute Of Standards And Technology (NIST) zur Standardisierung ausgewählt und die Post-Quanten-Kryptografie soll standardmäßig eingesetzt werden.

Lange Zeit war der Quantencomputer eher Science-Fiction: Immer wieder unternahmen Forschende Versuche, das theoretische Konzept in Laboren nachzubauen. In welcher Form Quantencomputer in Zukunft Teil unseres Alltags werden und wann, das können Expert:innen noch nicht abschätzen. Es braucht nicht nur neue Technologien, sondern auch ein Umdenken hinsichtlich der Art, wie Computer funktionieren. Quantencomputer haben das Potenzial, wichtige Fortschritte in verschiedenen Bereichen zu erzielen. Quantencomputer können komplexe Moleküle simulieren und dabei helfen, z.B. effektivere Medikamente zu entwickeln. So löste der Quantencomputer des Forschungszentrums Jülich im Januar 2023 ein Protein-Puzzle und lieferte der Forschung wichtige Ergebnisse zu Zusammenhängen von fehlerhaften Proteinfaltungen, die bei Krankheiten wie Alzheimer oder Parkinson eine Rolle spielen könnten.

Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Optimierung von Logistik- und Verkehrsnetzen. Quantencomputer können große Datenmengen analysieren und komplexe Optimierungsprobleme lösen. Dadurch können sie beispielsweise die effizientesten Routen für den Warentransport oder den Verkehr vorschlagen, um Zeit und Ressourcen zu sparen. Anders als der normale Computer, der jede Route nacheinander durchrechnet, erfasst der Quantencomputer alle möglichen Routen gleichzeitig – ein Riesenvorteil.

Quantencomputer können bei der Simulation komplexer physikalischer Systeme einen großen Beitrag leisten. Wenn es so weit ist, werden Quantenbits, die kleinen Multitasking-Meister, zahlreiche Vorteile für verschiedene Einsatzbereiche bieten:

Autonomes Fahren: Quantencomputer helfen bei der Verarbeitung großer Datenmengen und bei der Echtzeitoptimierung von Fahrsystemen und verbessern die Sicherheit und Effizienz autonomer Fahrzeuge.

Kryptografie: Um sensible Daten zu sichern, ermöglichen Quantencomputer Verschlüsselungsmethoden auf einem ganz neuen Level.

Medizinische Forschung: Quantencomputer können molekularbiologische oder -chemische Systeme viel besser simulieren als herkömmliche Computer und so in der Diagnostik und der Arzneimittelforschung neue Meilensteine erreichen. Sie werden bereits in der Krebsforschung eingesetzt und erstellen individuelle Therapiemaßnahmen für Krebspatient:innen.

E-Commerce: Mit Quantencomputern lassen sich komplexe Optimierungsprobleme lösen, wie die effiziente Routenplanung für Lieferungen oder die Personalisierung von Einkaufserlebnissen im Online-Handel.

Big Data: Riesige Datenmengen zu analysieren und Muster z.B. in Social-Media-Daten zu erkennen, ist für die Superrechner ein Kinderspiel. Die Quantenrechner bringen aber auch Licht auf die dunkle Seite der Daten: Sie durchleuchten auch Dark Data und können aus diesen unstrukturierten Daten Informationen bergen, die bisher schwer zugänglich waren.

Künstliche Intelligenz und Machine Learning: Während KI heute z.B. bei der Bilderkennung ein Bildmerkmal nach dem anderen analysieren, kann ein Quantencomputer alle möglichen Merkmalskombinationen auf einmal betrachten. Dadurch generiert er viel genauere und umfassendere Beschreibungen für die erkannten Bilder.

Risk & Finance: Mit Quantencomputern lassen sich Portfolios besser optimieren und komplexere Finanzmodelle erstellen.

Vor allem die Verschmelzung der bahnbrechenden Technologien von Quantum Computing und maschinellem Lernen birgt großes Potenzial für viele Anwendungsgebiete, wie der Industrie 4.0, Logistik, dem Verkehrswesen und vielen mehr.

Ein Quäntchen näher an der Umsetzbarkeit könnten Hybridmodelle sein. Diese Mischcomputer könnten das Beste aus beiden Welten vereinen und die Stärken der Quantenleistung mit der Robustheit und Vielseitigkeit klassischer Rechenmaschinen kombinieren. Die Idee hinter Hybridmodellen: Bestimmte Teile eines Problems, die besonders gut für Quantenberechnungen geeignet sind, werden von einem Quantencomputer bearbeitet. Der Rest des Problems wird von einem herkömmlichen Computer gelöst. Auf diese Weise könntest Du Quantenleistung nutzen, um komplexe Berechnungen zu beschleunigen und spezifische Aufgaben effizienter zu lösen.

Die Entwicklung von Hybridmodellen steckt noch in den Anfängen. Die nahtlose Integration von Quanten- und klassischer Hardware und die Entwicklung effizienter Schnittstellen sind nur einige der Aspekte, die Quanten-Expert:innen berücksichtigen müssen. Microsoft bietet mit Azure Quantum z.B. die Möglichkeit, klassische mit Quantenberechnungen zu kombinieren.

Quantencomputer sind richtige Tausendsassa, aber bis sie alltagstauglich werden, müssen Forschung und Wissenschaft noch einiges auf den Weg bringen. Für IT-Talente wie Dich stehen aufregende Zeiten an, in der Quanten- und klassische Computer zusammenarbeiten und neue Anwendungen von Quantenalgorithmen über Quantenkryptografie bis zu Quantensensorik und sogar ein Quanteninternet möglich werden.