Quantum Computing – Science vs Fiction
Dezember 25, 2018
Aus dem Unterricht des CAS Disruptive Technologies hat Dozent Dr. Marcel Blattner aufgezeigt, was Quantum Computer zum aktuellen Stand bedeutet, was ist Science und was ist Fiction. Es berichtet Remo Blättler.
Anders als beim herkömmlichen Computer liegt die Grundlage eines Quanten Computers mitunter in der Quantenmechanik. Will man sich damit beschäftigen, kommt man rasch darauf, dass es sich um eine relativ alte wissenschaftliche Sparte handelt. Um damit umgehen zu können, braucht es fundiertes Wissen in den Grundwerten der physikalischen Gesetzen:
- Gravitation
- Elektromagnetische Kraft
- Schwache Strahlung
- Starke Strahlung
Bereits zwischen 1925 und 1932 haben sich verschiedene berühmte Personen diesem Thema angenommen. Darunter waren Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger oder Max Born, um kurz ein paar zu nennen. In der heutigen Pop-Kultur kennt man Schrödinger eher, weil er oft bei der TV-Serie Big Bang Theory zitiert wird oder Heisenberg als Deckname für Walter White.
Befasst man sich also mit diesem Thema, bekommen diese Herren plötzlich eine ganz andere wichtige Bedeutung. Wollten diese damals mit der klassischen Vorstellung der Physik die Welt der Atome erläutern, was aber mit diesen Mitteln scheiterte. Der Bereich der Atome kann also mit der klassischen Physik nicht mehr beschrieben werden. Die Quantenmechanik unterscheidet sich nicht nur in ihrer mathematischen Struktur grundlegend von der klassischen Physik. Auch einige Prinzipien widersprechen die in der klassischen Physik fundamental.
Als eine der grössten Erkenntnisse war wohl die Entdeckung, wie sich Elektronen auch als Wellen verhalten können. Die Anwendungen des Doppelspalt-Experiment hat hier selbst diese grossen Männer zum Staunen gebracht.
Noch spannender war es, dass mit der Messung des einzelnen Atoms diese wieder in seine gewohnte Rolle gingen und zu Teilchen wurden. Nur wenn man das Experiment nicht direkt beobachtete, verhielten sich die Elektronen-Teilchen wie Wellen. Was passiert hier also? Neue Aspekte der Physik sind geboren. Eines der Kinder dieser Wissenschaft werden wohl Quanten Computer sein. Entgegen der heutigen Systeme die als kleinste Informationseinheit ein Bit haben, welche lediglich zwischen 0 und 1 unterscheiden können, können Quanten Computer mit ihren kleinsten Einheiten einiges mehr leisten. Diese Qubit können einen beliebigen Zustand (Drehrichtung) annehmen. Wäre es damit noch nicht kompliziert genug, ist es hier mit dem Messen dieser Drehung (Upspin / Downspin / oder alles gleichzeitig) wie beim Experiment mit dem Doppelspalt. Ein Qubit wird bei einer Messung welcher Spin jetzt genau vorhanden ist, in diesem Zustand fixiert und somit zerstört.
Quanten Computer existieren heute nur in Laboren und sind noch zentrales Thema der Forschung. Ein Einsatz in der Industrie oder sogar in privaten Umfeld von dieser Geräten ist in den kommenden Jahren nicht absehbar. Zudem füllen sie auch noch ganze Räume, aber das war bei den ersten konventionellen Computern auch der Fall. Dazu kommt, dass es in vielen Bereichen noch grosse Unklarheiten gibt:
- Superposition
- Entanglement
- Tunneling
- Particle-Wave-Duality
Der Gartner Hype Cycle ist daher mit seiner Schätzung, dass es noch 10+ Jahre dauern wird bis diese Computer zur Norm werden, wohl auf ganz gutem Kurs. Dennoch sind Grössen wie IBM eifrig an diesem Thema dran. Mit dem IBM Q ist ein System im Einsatz welches auch als Open Source genutzt werden kann. Die Programmierung auf solchen Systemen unterscheidend sich auch stark von der heutigen Entwicklung von Software. Nicht überall macht der Einsatz von Quanten Computern Sinn. Es gibt aber bereits heute Bereiche, wo Quanten Computer erfolgreich im Einsatz sind:
- Grover’s search algorithm
- Suche in grossen Datenbanken
- Quantum random walk search algorithm
- Pfadsuche
- Navigation
- Travelling salesman problem
- Shor’s Factoring Algorithm
- Verschlüsselung ausrechnen
Welche anderen Gebiete sich auch noch mit dieser neuen Technologie verbessern lassen, wird sich mit der Zeit und der vorschreitenden Forschung zeigen. Es ist aber davon auszugehen, dass diese Technik zukunftsweisend sein wird. Wegen dem mooresche Gesetz sind die Computer der alten Generation limitiert. Die Komplexität integrierter Schaltkreise wird in wenigen Jahren an seine Grenzen stossen. Eine genau Angabe wann dies der Fall sein wird, ist nicht genau recherchierbar – unterschiedliche Aussagen zeigen Uneinigkeit aus.
Es wird also auf diesem Gebiet weiterhin spannend bleiben, die Forscher haben noch unzählige Bereiche wo Licht ins Dunkle gebracht werden muss.