Quantum Computing: Zauberei oder ausserirdisch?
Oktober 18, 2015
Aus dem Unterricht des CAS Disruptive Technologies mit Grégoire Ribordy berichtet Rui Li-Marliani:
Viele mächtige Staaten und grosse Konzerne eifern danach, einen Quantencomputer zu besitzen. Was macht Quantum Computing denn so interessant oder gar revolutionär?
Die Quantenmechanik bildet den Ursprung für die Idee des Quantencomputers. Sie unterscheidet sich in einigen Bereichen von der klassischen Physik. Anfangs des 20. Jahrhunderts erwähnte der Physiker Max Planck die Schwarzkörperstrahlung, was als die Geburt der Quantenphysik gesehen wurde. Danach forschten andere weltbekannte Physiker wie Albert Einstein, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger und viele andere an der Idee weiter. Das berühmte Gedankenexperiment von Schrödinger mit einer Katze in einer Schachtel gilt als bekanntestes Beispiel für die Quantenmechanik. Dabei wird hypothetisch eine lebendige Katze in eine geschlossene Schachtel gesetzt, mit ihr eine radioaktive Apparatur, ein Geigerzähler, ein Hammer und eine Flasche mit Gift. Im Verlauf einer Stunde kann eines der radioaktiven Atome zerfallen, was den Geigerzähler ausschlagen lässt und damit die Giftflasche beschädigt, sodass das tödliche Gift austreten würde. Da instabile Atomkerne mehrere System-Zustände innehaben können, entsteht ein Überlagerungszustand; die Atomkerne können gleichzeitig als zerfallen und als nicht zerfallen beschrieben werden. Deswegen befindet sich auch die Katze in einem Zustand zwischen „nicht tot“ und „tot“. Dieser Zustand wird als Superposition bezeichnet. Erst das Öffnen des Deckels klärt den eindeutigen Zustand der Katze: Ist sie nun tot, oder lebt sie noch?
Aus 10’000 Jahren wird eine Sekunde
Übertragen auf die Quantenphysik, speichert der Quantencomputer sogenannte Qubits, welche entgegen dem herkömmlichen Bit nicht nur mit den Zuständen „1“ oder „0“ rechnen, sondern eben auch eine solche Superposition darstellen können, die aus allen möglichen Zuständen besteht. Somit ergibt sich, dass zwei Qubits sich in insgesamt vier Superpositionen befinden können und drei Qubits entsprechend in acht Superpositionen. Mit der Anwendung von Quantenalgorithmen wird daher erwartet, dass die Rechengeschwindigkeit gegenüber klassischen Computern exponentiell höher sein wird.
Im Dezember 2015 präsentierte die NASA in Zusammenarbeit mit Google den weltweit ersten betriebsfähigen Quantencomputer. Die im Jahr 2013 von der kanadischen Firma D-Wave verkaufte 10-Millionen-Dollar-Maschine löste neulich laut Google in einem Versuch eine Aufgabe innerhalb einer Sekunde, für welche ein klassischer Computer 10’000 Jahre benötigen würde. Allerdings gibt es immer noch Kritikerinnen und Kritiker, die am Durchbruch und der Anwendung von Quantencomputern zweifeln.
Neue Herausforderungen für Cybersicherheit
Was bedeutet Quantum Computing für uns? Einerseits die Aussicht auf eine technologisch noch weiter fortgeschrittene Welt, als das heute bereits der Fall ist – zum Beispiel liessen sich viele Hürden des maschinellen Lernens und der künstlichen Intelligenz überwinden. Andererseits wäre mit der plötzlich zur Verfügung stehenden Rechengeschwindigkeit die Entschlüsselung von heutiger computerbasierter Kommunikation keine Herausforderung mehr. Ob Passwörter von E-Mail-Konten oder Banktransaktionen über das Internet, die Sicherheit heutiger Systeme müsste komplett infrage gestellt werden. Somit stellt diese revolutionäre Technologie auch die Cybersicherheit auf den Kopf.
Wettlauf um Quantencomputer-Technologie
Interessiert sind daher nicht nur Firmen wie Google und NASA. Neben anderen Grosskonzernen wie IBM, Intel und Microsoft investieren auch viele Regierungen Millionen von Dollar in Quantencomputer-Technologie, unter anderem die USA, Kanada, China und die EU. Das Wettrennen der grossen Spieler wird immer spannender, da davon auszugehen ist, dass der Erste seinen Wettbewerbsvorteil exponentiell wird ausnutzen können.