Hier geht´s zu allen Teilen der Serie: Teil 1 – Teil 2 – Teil 3 – Teil 4 – Teil 5 – Teil 6 – Teil 7

Quantencomputer, die Grundlagen

Wenn man zum Zeitpunkt als dieser Artikel entstand, im Internet auf die Suche nach dem Thema Quantencomputer ging, war nicht allzuviel in Erfahrung zu bringen. Auf Wikipedia konnte man damals folgendes lesen:

“Der Quantencomputer ist gegenwärtig noch ein überwiegend theoretisches Konzept. Es existiert aber schon jetzt eine Vielzahl von Vorschlägen, wie ein Quantencomputer realisiert werden könnte, und in kleinem Maßstab wurden einige dieser Konzepte im Labor erprobt und es wurden Quantencomputer mit wenigen Qubits realisiert; von einer tatsächlichen Anwendung und praktischem Nutzen ist man aber noch weit entfernt.”

Folgt man dem einführenden Absatz aus Wikipedia, könnte man leicht zu dem Schluss kommen, dass Quantencomputer ausschließlich in der Theorie und im Labor bestehen. „Von einer tatsächlichen Anwendung und praktischem Nutzen ist man aber noch weit entfernt.“, ist dort zu lesen. Interessanterweise hatte die kanadische Firma D-Wave Systems zu diesem Zeitpunkt schon die ersten serienreifen Quantencomputer ausgeliefert. Das war zwar damals auch auf Wikipedia zu lesen, aber seltsamerweise erst am Ende des Eintrags, unter dem Punkt Forschung.

D-Wave Systems stand zu diesem Zeitpunkt jedenfalls schon in einer engen Beziehung zur NASA, zu dem Rüstungskonzern Lockheed Martin und zu Google. Und ja, die D-Wave Quantencomputer waren in der Fachwelt umstritten. Doch dazu später.

Die (kurze) Geschichte des Quantencomputers

Bei meiner Recherche ist mir aufgefallen, dass es offenbar keinen eindeutigen Erfinder des Quantencomputers gibt. Das Teil hat demnach keinen eindeutigen Vater. Und Mami hat er auch keine, der Arme. Es mutet jedenfalls seltsam an, dass in Zeiten der Selbstdarstellung und der religiösen Verehrung des Egos niemand als Erfinder des Quantencomputers auftritt. Auch in den gängigen Suchmaschinen war kein Name aufgetaucht.

Solche Umstände lassen mich immer aufhorchen und rufen den Verschwörungstheoretiker in mir auf den Plan. Ich kann dann einfach nicht umhin und stelle mir quasi automatisch Fragen wie: Wurde diese Technologie gar nicht von uns entwickelt? Und wenn nicht, wer hat uns diese Technologie zukommen lassen und in welcher Absicht? Falls doch, weshalb tritt der Entwickler nicht in den Vordergrund? Etc… Doch lassen wir den verschwörungstheoretischen Anteil von mir noch beiseite…

Erstmals erwähnt…

Der Begriff „Quantencomputer“ wurde jedenfalls bereits Anfang der 80er Jahre von dem amerikanischen Physiker und Nobelpreisträger Richard Phillips Feynman geprägt. Er stellte auf einem seiner Workshops die Frage, ob man (Quanten)Physik effizient mit Computern simulieren kann, und kam zu dem Schluss, dass man das am Besten mit einem Quantencomputer bewerkstelligen sollte. Diese nahe liegende Idee hat offensichtlich weitreichende Folgen gehabt, und eine Vielzahl an Studenten auf den Weg gebracht um das Problem der Realisierung zu lösen.

Miniaturisierung ebnet den Weg

Dass man technologisch an der Schwelle zur Realisierung von kommerziellen Quantencomputern steht, hat man zu einem guten Teil der fortschreitenden Miniaturisierung in der Halbleitertechnologie zu verdanken. Einer der Gründer von Intel, Ph. D. Gordon Moore, formulierte einen Satz der seither als das Moore´sche Gesetz bekannt ist. Das Gesetz besagt, dass sich die Anzahl der Schaltkreiskomponenten auf einem integrierten Schaltkreis mit minimalen Komponentenkosten regelmäßig verdoppelt. Die Anzahl der Transistoren pro Flächeneinheit wächst also exponentiell. Der Begriff Moore`sches Gesetz wirkt in diesem Zusammenhang übertrieben und ist es meiner Meinung nach auch. Aber was soll´s.

Durch die Fortschritte in der Produktion hat sich die Technologie immer mehr verkleinert und ist so an die Grenzen der Teilchen gelangt. Die Forschung steht nun an der Schwelle der Quantenmechanik und die sich daraus entwickelnde Technologie nennt sich sinnigerweise Quantentechnologie. Quantencomputer sind Teil dieser Technologie.

Anwendungsbeispiele

Wir befinden uns am Anfang einer Technologie, die bis vor Kurzem noch als Science Fiction eingestuft wurde. Wohin diese Technologie führt und welche Anwendungen mittelfristig oder gar langfristig dafür entwickelt werden steht naturgemäß in den Sternen. Tiefgreifende und umwälzende Auswirkungen, die wir bei anderen Technologien der jüngsten Zeit erlebt haben, wie z.B. des World Wide Web und des Smartphones, sind als höchstwahrscheinlich einzustufen.

Der Quantencomputer kann, aufgrund seines Aufbaus, mit vergleichsweise geringer Rechenleistung und minimalem Zeitaufwand, Gleichungen mit einer extrem hohen Anzahl von Variablen lösen. Er muss zwar heute noch speziell dafür eingerichtet werden, aber die ersten Erfolge, die D-Wave Systems gemeldet hat, und die zumindest Google, die NASA und nicht zuletzt die NSA überzeugt haben, gibt es bereits.

Die Tatsache, dass mit Quantencomputern extrem komplexe Modelle in sehr kurzer Zeit berechnet werden können, erklärt warum die oben genannten Unternehmen so reges Interesse zeigen. Die kurzfristigen Anwendungsziele, zumindest die, die der Öffentlichkeit bekannt sind sehen also folgendermaßen aus:

  • Auswertung komplexer Suchanfragen in komplexen Datenbanken
  • Berechnung komplexer Szenarien, wie Quanteneffekte, Wetterphänomene, Hochrechnungen, Finanzentwicklungen, etc…
  • Kryptographie und Sicherheitslösungen
  • Künstliche Intelligenz

In seinem Buch Programming the Universe: A Quantum Computer Scientist Takes on the Cosmos vertritt den amerikanischen Physiker und Informatiker Dr. Seth Lloyd seine Idee, dass das Universum selbst ein Quantencomputer ist, der während seines Programmzyklus alles was wir erleben und uns selbst hervorbringt. Er denkt auch, dass wir mit Hilfe von Quantencomputern in der Lage sein werden, das Universum vollkommen zu verstehen. Ich denke, das klingt nach einem ziemlich jämmerlichen Universum, falls sich das tatsächlich, als richtig erweisen würde.

Alle diese Bereiche zusammen genommen und die Idee von Dr. Lloyd weisen auf eine Entwicklung hin, die es wert ist, etwas genauer hinzusehen. Das ist die Geburt einer Serie und damit Teil 1 der Serie „Quantencomputer – die Welt ist nicht mehr wie sie einmal war…“.

In Teil 2 werden wir die absurd anmutenden Theorien der Quantenmechanik streifen.

Die ganze Serie „Quantencomputer – die Welt ist nicht mehr wie sie einmal war…“:

Teil 1 – Teil 2 – Teil 3 – Teil 4 – Teil 5 – Teil 6 – Teil 7


Quellen:

Bücher

Bücher, die als Quelle oder zur Inspiration gedient haben:


Videos


Links

http://www.inf.fu-berlin.de/users/alt/vorlesungen/sem02/Einfuehrung.pdf

https://dwave.wordpress.com/

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Quantencomputer/


Beitragsbild: Alex Sukontsev/flickr (CC BY-SA 2.0)

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