Einsicht in den Ausblick des Quantencomputers
Quantencomputer – die Terminologie einer Technologie, die eine grössere Veränderung unserer digitalen Zukunft mit sich bringen soll. Wir bieten eine kleine Einsicht in diesen Bereich des digitalen Fortschritts.
Der Quantencomputer kurz und knapp
Im Gegensatz zu heute gängigen Computern oder Smartphones, die basierend auf Bits mit 0 oder 1 operieren, arbeiten Quantencomputer mit Quanten-Bits (QuBits). Diese QuBits können im Vergleich nicht nur die Zustände 0 oder 1 einnehmen, sondern können sowohl beide Zustände gleichzeitig oder aber auch einen unendlichen Zustand dazwischen besitzen. Dieser Zustand ist als Superposition bekannt. Diese kann am Beispiel eines Münzenwurfes veranschaulicht werden, bei dem sich die Münze in der Luft befindet und sich so schnell um sich selbst dreht, dass nicht gesagt werden kann, welche Seiten oben und unten ist.
Da ein QuBit unendlich viele verschiedenen Zustände gleichzeitig annehmen kann, ersetzt bereits ein QuBit die beiden Bits, die bei heute gängigen Geräten zum Einsatz kommen. Dadurch besitzt ein Quantencomputer eine deutlich erhöhte Rechenleistung. Dieser Vorteil wächst mit der Anzahl exponentiell an.
Quantencomputer operieren unterteilt in Rechen- und Speichereinheiten. Dabei werden die QuBits in einem Quantenregister zusammengefügt, über das die Operationen getätigt werden. Die QuBits in einem Quantencomputer können zudem miteinander verknüpft werden, so dass, wenn ein QuBit in einen bestimmen Zustand gebracht wird, sich in diesem Moment auch der Zustand der verknüpften QuBits verändert. Auch dies hat einen positiven Effekt auf die Leistungsfähigkeit des Quantencomputers.
Durch die Fähigkeit, massive Datenmengen enorm performant und mit Leichtigkeit zu bearbeiten, eröffnen sich viele neue Möglichkeiten. Im Vergleich zu den heutigen Supercomputern können Quantencomputer einen Task innert Sekunden anstelle von Jahren lösen. Zudem können mehrere Berechnungen gleichzeitig vorgenommen werden.
Herausforderungen dieser Technologie
Quantencomputer sind grundsätzlich sehr empfindlich. Damit der Quantenzustand der Superposition erreicht wird, muss der Chip auf 0 Kelvin heruntergekühlt werden. Dies ist bereits eine grosse Herausforderung, da dafür aufwendige und grosse Kühlmaschinen benötigt werden, die den Chip über Tage von Zimmertemperatur auf den maximal tiefsten Temperaturpunkt bringt.
QuBits sind grundsätzlich nicht stabil, d.h. sie müssen gegen jegliche äusserlichen Einflüsse wie Temperaturanstieg, Erschütterungen, elektrische und magnetische Felder geschützt werden.
Innerhalb der kurzen Zeit, in der die QuBits stabil sind müssen die Be-rechnungen abgearbeitet werden. Damit diese Berechnungen auch dementsprechend schnell absolviert werden können, werden mehrere QuBits zusammen verschränkt. Dies aber erschwert die Handhabung zusätzlich.
Der aktuelle Reifegrad für einen ökonomischen Nutzen dieser Technologie ist noch nicht genug fortgeschritten – doch die absehbare Vielzahl an neuen Möglichkeiten lassen Forscherinnen wie auch Kapitalgeber den Reifeprozess vorantreiben.
Erste Gehversuche und prognostizierte Nutzen
Grosse Hoffnungen bezüglich der neuen Möglichkeiten werden in diverse Gebiete von Big Data gesetzt. Ein Beispiel sind Berechnungen unter anderem für genauere Wetter-, und Katastrophenvorhersagen, Business Intelligence und Traffic Management. Für Letzteres beispielsweise wurden bereits im Jahre 2019 Versuche unternommen – konkret soll der Stadtverkehr in Lissabon mittels Früherkennung von Staus und Routenoptimierung durch deren Umfahrung verbessert werden.
Ein möglicher Nutzen wird auch in der Finanzdienstleistungsbranche prognostiziert. Portfolio-Optimierung, Betrugserkennung, neue Zahlsysteme und Hochfrequenzhandel sind Bereiche, die von einer stetig steigenden Investitionstätigkeit in den letzten Jahren profitieren. Dies bekräftigt ein starkes Interesse der Finanzindustrie.
Von grossem Nutzen ist die Fähigkeit des Quantencomputers, durch seine schnelle Verarbeitungsperformance Moleküle detailgetreu nachzubilden – dies wiederum weckt Hoffnungen in der Gen- und Medizintechnik zur Beschleunigung deren Forschung.
Auf Interesse stösst die Technologie auch beim Militär. Zum einen für die Möglichkeit, neue Verschlüsselungstechnologien zu erforschen und zu erproben. Anderseits besteht aber das Risiko, dass heutige, vermeintlich sichere Verschlüsselungs-Konzepte geknackt werden können. Vor allem kryptografische Verfahren, die mit privaten und öffentlichen Schlüsseln ver- und entschlüsseln, wären durch die überlegene Performance der Quantencomputer nicht mehr sicher, da diese entschlüsselt werden können. Weit verbreitete Verfahren sind z.B. RSA, der Diffie-Hellman-Schlüsselaustausch und deren Varianten. Diese werden für die Authentifikation und Autorisierung, digitale Signaturen, Kommunikations-Verschlüsselungen verwendet.
Das Risiko in Bezug auf die heutigen Verschlüsselungs-Konzepte, die durch die Entwicklung des Quantencomputers nicht mehr adäquat erscheinen, wirkt gegenläufig zur Intensivierung der Forschung. Um die nachhaltige Entwicklung des Quantencomputers zu unterstützen, muss insbesondere dieses Risiko bereits frühzeitig adressiert und auch in der heutigen Technologie Einfluss nehmen.
Fazit
Vor ein paar Jahre war die gängige Meinung, dass die verbreitete Nutzung von Quantencomputern noch viele Jahre in Anspruch nehmen würde. Durch die intensive Forschung vieler verschiedenen Institute wie auch durch grosse Technologieunternehmen sind in den letzten Jahren grosse und wegweisende Fortschritte erzielt worden. Diese Entwicklung wird sich in den nächsten Jahren noch weiter verstärken, so dass die Potenziale, die diese Technologie bietet früher oder später auch nachhaltig genutzt werden können. Dabei müssen jedoch auch die Risiken bereits frühzeitig identifiziert und bei der Entwicklung mitberücksichtigt werden.
Literaturquellen / Links / Tools
So funktioniert ein Quantencomputer – quarks.de
https://www.exone.de/ratgeber/quantum-computing/
https://digitaleweltmagazin.de/2020/02/17/welche-auswirkungen-hat-das-quantum-computing-auf-die-informationssicherheit/
https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8591980
Erste Tools, Erfolgsgeschichten und die Forschung hinter dem Quanten-Computing (datacenter-insider.de)
https://www.scinexx.de/news/technik/quantenrechner-schlaegt-supercomputer/
https://www.volkswagenag.com/de/news/stories/2019/11/where-is-the-electron-and-how-many-of-them.html
https://storageconsortium.de/content/content/reifegrad-von-quantencomputing-reply-analyse-zum-kommerzielle-einsatz-dieser-systeme
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