Je nachdem, wen Sie fragen, sagen einige, dass Quantencomputer entweder das Internet zerstören und so ziemlich jedes Datensicherheitsprotokoll obsolet machen oder es uns ermöglichen könnten, unseren Weg aus der Klimakrise zu berechnen.
Diese hyperleistungsfähigen Geräte, eine aufstrebende Technologie, die die Eigenschaften der Quantenmechanik ausnutzt, sind in aller Munde.
Erst im vergangenen Monat stellte IBM seinen neuesten Quantencomputer Osprey vor, einen neuen 433-Qubit-Prozessor, der dreimal leistungsstärker ist als sein erst 2021 gebauter Vorgänger.
Aber was soll der ganze Hype?
Quantum ist ein Wissenschaftsgebiet, das die physikalischen Eigenschaften der Natur auf der Ebene von Atomen und subatomaren Teilchen untersucht.
Befürworter der Quantentechnologie sagen, dass diese Maschinen schnelle Fortschritte in Bereichen wie der Arzneimittelforschung und der Materialwissenschaft einleiten könnten – eine Aussicht, die die verlockende Möglichkeit eröffnet, beispielsweise leichtere, effizientere Batterien für Elektrofahrzeuge oder Materialien zu entwickeln, die eine effektive CO2-Abscheidung ermöglichen könnten .
Angesichts der drohenden Klimakrise werden Technologien mit der Hoffnung, komplexe Probleme wie diese zu lösen, zwangsläufig auf großes Interesse stoßen.
Kein Wunder also, dass einige der größten Technologieunternehmen der Welt – Google, Microsoft, Amazon und natürlich IBM, um nur einige zu nennen – stark darin investieren und versuchen, ihren Platz in einer Quantenzukunft zu sichern.
Wie funktionieren Quantencomputer?
Angesichts der Tatsache, dass diese utopisch klingenden Maschinen ein so rasendes Interesse auf sich ziehen, wäre es vielleicht nützlich zu verstehen, wie sie funktionieren und was sie von klassischer Computertechnik unterscheidet.
Nehmen Sie jedes Gerät, das wir heute haben – von den Smartphones in unserer Tasche bis zu unseren leistungsstärksten Supercomputern. Diese arbeiten und arbeiten seit jeher nach dem gleichen Prinzip des Binärcodes.
Im Wesentlichen verwenden die Chips in unseren Computern winzige Transistoren, die als Ein-/Ausschalter fungieren, um zwei mögliche Werte zu liefern, 0 oder 1, auch bekannt als Bits, kurz für Binärziffern.
Diese Bits können in größere, komplexere Einheiten konfiguriert werden, im Wesentlichen lange Zeichenfolgen aus Nullen und Einsen, die mit Datenbefehlen codiert sind, die dem Computer mitteilen, was er tun soll: ein Video anzeigen; einen Facebook-Beitrag anzeigen; spielen Sie eine mp3; lassen Sie eine E-Mail eingeben und so weiter.
Aber ein Quantencomputer?
Diese Maschinen funktionieren ganz anders. Anstelle von Bits in einem klassischen Computer ist die grundlegende Informationseinheit im Quantencomputing ein sogenanntes Quantenbit oder Qubit. Dies sind typischerweise subatomare Teilchen wie Photonen oder Elektronen.
Der Schlüssel zur fortschrittlichen Rechenleistung einer Quantenmaschine liegt in ihrer Fähigkeit, diese Qubits zu manipulieren.
„Ein Qubit ist ein zweistufiges Quantensystem, das es Ihnen ermöglicht, Quanteninformationen zu speichern“, erklärte Ivano Tarvenelli, der weltweite Leiter für fortschrittliche Algorithmen für Quantensimulationen am IBM Research Lab in Zürich, gegenüber Euronews Next.
„Anstatt nur die beiden Ebenen null und eins zu haben, die Sie in einer klassischen Berechnung hier hätten, können wir eine Überlagerung dieser beiden Zustände aufbauen“, fügte er hinzu.
Überlagerung
Superposition in Qubits bedeutet, dass ein Qubit in Superposition im Gegensatz zu einem binären System mit seinen zwei möglichen Werten 0 oder 1 gleichzeitig 0 oder 1 oder 0 und 1 sein kann.
Und wenn Sie sich das nicht vorstellen können, ist die oft gegebene Analogie die eines Pennys.
Wenn er stationär ist, hat ein Penny zwei Gesichter, Kopf oder Zahl. Aber wenn du es umdrehst? Oder drehen? In gewisser Weise ist es gleichzeitig Kopf und Zahl, bis es landet und Sie es messen können.
Und für die Datenverarbeitung bedeutet diese Fähigkeit, sich gleichzeitig in mehreren Zuständen zu befinden, dass Sie eine exponentiell größere Menge von Zuständen haben, in denen Sie Daten codieren können, wodurch Quantencomputer exponentiell leistungsfähiger sind als herkömmliche Binärcode-Computer.
Quantenverschränkung
Eine weitere entscheidende Eigenschaft für die Funktionsweise von Quantencomputing ist die Verschränkung. Es ist ein etwas mysteriöses Merkmal der Quantenmechanik, das seinerzeit sogar Einstein verblüffte, der es als „gespenstische Fernwirkung“ bezeichnete.
Wenn zwei Qubits in einem verschränkten Zustand erzeugt werden, gibt es eine direkt messbare Korrelation zwischen dem, was mit einem Qubit in einem verschränkten Paar passiert, und dem, was mit dem anderen passiert, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Dieses Phänomen hat in der klassischen Welt keine Entsprechung.
„Diese Eigenschaft der Verschränkung ist sehr wichtig, weil sie eine viel, viel stärkere Konnektivität zwischen den verschiedenen Einheiten und Qubits bringt. Die Ausarbeitungsleistung dieses Systems ist also stärker und besser als die des klassischen Computers“, sagt Alessandro Curioni, Direktor von IBM Research Lab in Zürich, erklärte Euronews Next.
Tatsächlich wurde in diesem Jahr der Nobelpreis für Physik an drei Wissenschaftler, Alain Aspect, John Clauser und Anton Zeilinger, für ihre Experimente zur Verschränkung und den Fortschritt auf dem Gebiet der Quanteninformation verliehen.
Warum brauchen wir Quantencomputer?
Das sind also, zugegebenermaßen vereinfacht gesagt, die Bausteine der Funktionsweise von Quantencomputern.
Aber noch einmal, warum brauchen wir unbedingt solche hyperleistungsfähigen Maschinen, wenn wir bereits Supercomputer haben?
“[The] Quantencomputer werden die Simulation der physischen Welt viel einfacher machen”, sagte er.
„Ein Quantencomputer wird die Quantenwelt besser simulieren können, also die Simulation von Atomen und Molekülen.“
Wie Curioni erklärt, wird dies es Quantencomputern ermöglichen, beim Design und der Entdeckung neuer Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften zu helfen.
„Wenn ich in der Lage bin, ein besseres Material für die Energiespeicherung zu entwerfen, kann ich das Problem der Mobilität lösen. Wenn ich in der Lage bin, ein besseres Material als Düngemittel zu entwerfen, kann ich das Problem des Hungers und der Nahrungsmittelproduktion lösen bin in der Lage, ein neues Material zu entwerfen, das dies zulässt [us] CO2-Abscheidung zu machen, bin ich in der Lage, das Problem des Klimawandels zu lösen”, sagte er.
Unerwünschte Nebenwirkungen?
Aber es könnte auch einige unerwünschte Nebenwirkungen geben, die berücksichtigt werden müssen, wenn wir in das Quantenzeitalter eintreten.
Ein Hauptanliegen ist, dass Quantencomputer der Zukunft über solch leistungsstarke Rechenfähigkeiten verfügen könnten, dass sie die Verschlüsselungsprotokolle brechen könnten, die für die Sicherheit des Internets, die wir heute haben, grundlegend sind.
„Wenn Menschen über das Internet kommunizieren, kann jeder das Gespräch mithören. Also müssen sie zuerst verschlüsselt werden. Und die Art und Weise, wie die Verschlüsselung zwischen zwei Menschen funktioniert, die sich nicht getroffen haben, besteht darin, dass sie sich auf einige Algorithmen verlassen müssen, die als RSA oder Elliptic Curve bekannt sind , Diffie-Hellman, um einen geheimen Schlüssel auszutauschen”, erklärte Vadim Lyubashevsky, Kryptograf am IBM Research Lab in Zürich.
“Das Austauschen des geheimen Schlüssels ist der schwierige Teil, und das erfordert einige mathematische Annahmen, die mit Quantencomputern gebrochen werden.”
Um sich davor zu schützen, sagt Lyubashevsky, dass Organisationen und staatliche Akteure ihre Kryptographie bereits auf quantensichere Algorithmen aktualisieren sollten, dh. solche, die von Quantencomputern nicht gebrochen werden können.
Viele dieser Algorithmen wurden bereits entwickelt, andere befinden sich in der Entwicklung.
„Selbst wenn wir keinen Quantencomputer haben, können wir Algorithmen schreiben und wir wissen, was er tun wird, sobald er existiert, wie er diese Algorithmen ausführen wird“, sagte er.
„Wir haben konkrete Erwartungen, was ein bestimmter Quantencomputer tun wird und wie er bestimmte Verschlüsselungsschemata oder bestimmte andere kryptografische Schemata brechen wird. Wir können uns also definitiv auf solche Dinge vorbereiten“, fügte Lyubashevsky hinzu.
“Und das macht Sinn. Es macht Sinn, sich auf solche Dinge vorzubereiten, weil wir genau wissen, was sie tun werden.”
Aber dann gibt es das Problem bereits vorhandener Daten, die nicht mit quantensicheren Algorithmen verschlüsselt wurden.
„Es besteht die sehr große Gefahr, dass Regierungsorganisationen bereits jetzt eine Menge Internetverkehr speichern, in der Hoffnung, dass sie ihn entschlüsseln können, sobald sie einen Quantencomputer gebaut haben“, sagte er.
„Auch wenn die Dinge jetzt noch sicher sind, wird jetzt vielleicht etwas übertragen, das in zehn, 15 Jahren noch interessant ist. Und dann wird die Regierung, wer auch immer einen Quantencomputer baut, in der Lage sein, ihn zu entschlüsseln und diese Informationen vielleicht zu verwenden.“ er sollte nicht verwenden”.
Trotzdem, abgewogen gegen die potenziellen Vorteile des Quantencomputers, sagt Lyubashevsky, dass diese Risiken die Entwicklung dieser Maschinen nicht stoppen sollten.
„Kryptographie zu knacken ist nicht der Sinn von Quantencomputern, das ist nur ein Nebeneffekt“, sagte er.
„Es wird hoffentlich viel mehr nützliche Hilfsmittel haben, wie die Erhöhung der Geschwindigkeit, mit der man chemische Reaktionen entdecken und diese für Medizin und ähnliches nutzen kann. Das ist also der Sinn eines Quantencomputers“, fügte er hinzu.
„Und sicher, es hat den negativen Nebeneffekt, dass es die Kryptografie brechen wird. Aber das ist kein Grund, keinen Quantencomputer zu bauen, weil wir das patchen können und das haben wir gepatcht. Das ist also ein leicht zu lösendes Problem “.
Weitere Informationen zu dieser Geschichte finden Sie im Erklärvideo im Mediaplayer oben.