Quantencomputer verstehen

Quantencomputer verstehen

Quantencomputer verstehen
Datum: 29.09.2021
Update: 05.10.2021

Was ist ein Quantencomputer?

 

Wie man mitt­ler­wei­le immer mehr mit­be­kommt, sind Quan­ten­com­pu­ter ein sehr hei­ßes, aber auch sehr kom­ple­xes The­ma. Wir haben uns mal der Sache ange­nom­men und wol­len gemein­sam mit Ihnen in die Welt der Quan­ten eintauchen.
Da wir aller­dings kei­ne Exper­ten auf dem Gebiet der Quan­ten­com­pu­ter sind, haben wir ele­Q­tron als Unter­stüt­zung hin­zu­ge­zo­gen und ihnen ein paar Fra­gen gestellt. Seit 2020 ent­wi­ckeln und betrei­ben sie Quan­ten­com­pu­ter, die Pro­ble­me unter ande­rem aus Che­mie, Life Sci­en­ces, Logis­tik und Finanz­we­sen lösen kön­nen wer­den, die auch mit den bes­ten her­kömm­li­chen Super­com­pu­tern nicht zu kna­cken sind. Zusam­men mit ihrem Input wol­len wir nun die Blog­post­rei­he „Quan­ten­com­pu­ter ver­ste­hen“ starten.

 

Fan­gen wir aber erst ein­mal ganz vor­ne an:

Heut­zu­ta­ge wird es immer wich­ti­ger, mit gro­ßen Daten­men­gen zu han­tie­ren oder schwer zu berech­nen­de Pro­ble­me zu bear­bei­ten. Dafür gibt es den soge­nann­ten Super­com­pu­ter, oder auch „High-Per­for­mance-Com­pu­ter“, der es wesent­lich leich­ter und vor allem extrem schnell macht, Daten aus­zu­wer­ten oder kom­ple­xe Rech­nun­gen aus­zu­füh­ren. Und eben genau wegen die­ser hohen Rechen­leis­tung ist er beson­ders für Simu­la­ti­ons­zwe­cke gut geeig­net. Ein Super­com­pu­ter kann eine sehr hohe Zahl an oft­mals auch unschein­ba­ren, Neben- und Rand­be­din­gun­gen ein­be­zie­hen, wodurch eine immer rea­lis­ti­sche­re Simu­la­ti­on gewähr­leis­tet wer­den kann.
Vor allem Berei­che wie Logis­tik oder Finan­zen pro­fi­tie­ren von die­ser beson­ders genau­en Berück­sich­ti­gung an Inter­de­pen­den­zen. War­um? Weil es gera­de dort immer wie­der zu Opti­mie­rungs­pro­ble­men kommt. Auch die Che­mie kann ihre Vor­tei­le dar­aus zie­hen: Hier ist es weni­ger der Opti­mie­rungs­be­darf, son­dern viel mehr die Her­aus­for­de­rung der Pro­te­in­fal­tung oder Poly­mer­ket­ten­bil­dung – kom­ple­xe Simu­la­tio­nen. Aller­dings sto­ßen High-Per­for­mance-Com­pu­ter hier­bei bereits an ihre Grenzen.

Doch blei­ben wir mal in der Logis­tik: Sogar für einen Super­com­pu­ter wird bald der Zeit­punkt kom­men, wo auch sei­ne Rechen­leis­tung nicht mehr aus­reicht, um in Echt­zeit Lie­fe­run­gen zu tra­cken, Lie­fer­we­ge zu opti­mie­ren oder auf Pro­ble­me zu reagie­ren. Unter ande­rem das soge­nann­te „Tra­vel­ling-Sales­man-Pro­blem“ wird zu einer immer grö­ße­ren Herausforderung.

 

Das Travelling-Salesman-Problem

Die­ses Pro­blem ist im Bereich des Ope­ra­ti­ons Rese­arch ein bekann­tes kom­bi­na­to­ri­sches Opti­mie­rungs­pro­blem, wel­ches mit­tels mathe­ma­ti­scher Ver­fah­ren ange­gan­gen wer­den kann. In der Pra­xis ist die­ses Pro­blem zum Bei­spiel bei der Tou­ren­pla­nung und der Ver­tei­lung von Waren vor­zu­fin­den. Die Her­aus­for­de­rung ist: Wie wäh­le ich die Rei­hen­fol­ge der zu befah­ren­den Orte, sodass kei­ner mehr als ein­mal befah­ren wird, die Gesamt­stre­cke ein Mini­mum dar­stellt und der Start­punkt zugleich das Ende der Tour ist? 

 

Mal davon abge­se­hen, dass sol­che Super­com­pu­ter rie­sig sind und enorm viel Ener­gie ver­brau­chen, was machen wir, wenn ihre Rechen­leis­tung nicht mehr für die heu­ti­gen Daten­men­gen oder die Kom­ple­xi­tät der Rech­nun­gen aus­rei­chen? Die Ant­wort: Quantencomputer!

 

Quantenüberlegenheit – wenn der Quantencomputer den Supercomputer schlägt

„Was sind Quantencomputer und was unterscheidet Sie von herkömmlichen Supercomputern?“

Durch einen Quan­ten­com­pu­ter macht man sich die Eigen­schaf­ten von Quan­ten­zu­stän­den zu Nut­ze, wel­che den beson­de­ren Geset­zen der Quan­ten­phy­sik unter­lie­gen. Her­kömm­li­che Com­pu­ter arbei­ten mit klas­si­schen Bits, die nur die Wer­te 0 oder 1 anneh­men kön­nen.  In einem Quan­ten­com­pu­ter wer­den Infor­ma­tio­nen in Quan­ten­bits gespei­chert und ver­ar­bei­tet, wel­che gleich­zei­tig die Wer­te 0 und 1 anneh­men kön­nen. Die­se Gleich­zei­tig­keit, die soge­nann­te Quan­ten­par­al­le­li­tät, ist ein wesent­li­ches Merk­mal von Quan­ten­com­pu­tern und ermög­licht ihnen die effi­zi­en­te Lösung von kom­ple­xen Pro­ble­men, wel­che auch für die bes­ten Bit-basier­ten Super­com­pu­ter prak­tisch unlös­bar blei­ben werden.

Quantencomputer verstehen 1

Denn bei jedem her­kömm­li­chen Com­pu­ter wür­den Rech­nun­gen, wie z.B. das Tra­vel­ling-Sales­man-Pro­blem, seri­ell und ite­ra­tiv noch­mal und noch­mal durch­ge­führt wer­den müs­sen, bevor ein Ergeb­nis gefun­den wird — das kann durch­aus sehr viel Zeit in Anspruch nehmen.

 

„Wie entstehen solche Quantenzustände?“ 

Es gibt zahl­rei­che Ansät­ze, mit denen Quan­ten­zu­stän­de für Quan­ten­com­pu­ting rea­li­siert wer­den kön­nen, tech­no­lo­gisch am wei­tes­ten fort­ge­schrit­ten und übli­cher­wei­se ver­wen­det wer­den jedoch meist die­se zwei: Der Supra­lei­ten­de-Ansatz und der Ionenfallen-Ansatz.

Der Supra­lei­ten­de-Ansatz sieht wie folgt aus: In klei­nen Schalt­krei­sen wer­den ein­zel­ne Elek­tro­nen mit hoher Geschwin­dig­keit zum Krei­sen gebracht. Denn in extrem kal­ten elek­tri­schen Schalt­krei­sen fan­gen elek­tri­sche Strö­me und deren Magnet­fel­der an, dis­kre­tes, also quan­ti­sier­tes Ver­hal­ten zu zei­gen. Die­se Zustän­de sind die Quantenzustände.

Der Ionen­fal­len-Ansatz funk­tio­niert so: Ein ein­zel­nes Ion (gela­de­nes Atom) wird in einem elek­tro­ma­gne­ti­schen Wech­sel­feld ein­ge­fan­gen. Die Ionen­zu­stän­de kön­nen dann durch die Ein­wir­kung von z.B. Lasern oder Mikro­wel­len ver­än­dert werden.

 

„Was sind die Vor- und Nachteile dieser zwei Ansätze?“

Der Supra­lei­ten­de-Ansatz hat den Vor­teil, dass er tech­no­lo­gisch betrach­tet, sehr nah an kon­ven­tio­nel­len Halb­lei­ter­her­stel­lungs­me­tho­den ist – sprich, die Fabri­ka­ti­ons­ver­fah­ren sind denen von übli­chen Com­pu­ter­chips sehr ähn­lich, bereits vor­han­den und bekannt. Auf der ande­ren Sei­te jedoch sind die Quan­ten­zu­stän­de, wel­che dort erzeugt wer­den, nicht so gut kon­trol­lier­bar. Aus die­sem Grund weist die­ser Ansatz noch eine sehr hohe Feh­ler­ra­te auf — des­halb wer­den hohe Quan­ten-Bit Zah­len benö­tigt, um Feh­ler­kor­rek­tu­ren durch­zu­füh­ren. Auch wis­sen­schaft­lich betrach­tet sind noch nicht alle Feh­ler­quel­len identifiziert.
Die Ionen dage­gen haben eine deut­lich gerin­ge­re Feh­ler­ra­te, da kei­ne Fabri­ka­ti­ons­feh­ler auf­tre­ten. Der Nach­teil hier­bei ist aller­dings, dass das Hoch­ska­lie­ren der Qubits bei die­sem Ansatz deut­lich schwe­rer fällt.
Im Quan­ten­com­pu­ter-Busi­ness kann man noch nicht sagen, wel­cher Ansatz der viel­ver­spre­chends­te ist. Es könn­te auch durch­aus pas­sie­ren, dass am Ende zwei unter­schied­li­che Ansät­ze einen gleich­sam funk­tio­nie­ren­den Quan­ten­com­pu­ter erzeu­gen können.

 

„Die Systeme müssen gekühlt werden. Gibt es da auch Unterschiede zwischen den Ansätzen?“

Da Quan­ten­zu­stän­de sehr fili­gra­ne Phä­no­me­ne sind, müs­sen alle mög­li­chen Stör­fak­to­ren aus­ge­schal­tet wer­den. Bei nor­ma­ler Raum­tem­pe­ra­tur las­sen sich die Quan­ten­zu­stän­de kaum kon­trol­lie­ren, daher gehört auch eine erheb­li­che Küh­lung der Anla­gen dazu. Und wenn in die­sem Zusam­men­hang von Küh­lung gespro­chen wird, ist damit also die Küh­lung der Quan­ten­zu­stän­de selbst gemeint.
Wäh­rend beim Supra­lei­ten­den-Ansatz bis nahe an den abso­lu­ten Null­punkt gekühlt wer­den muss, sind die Anfor­de­run­gen bei Ionen­fal­len weni­ger strin­gent. Aller­dings lässt sich hier eine beson­ders span­nen­de Art der Küh­lung ein­set­zen: Die Laser­küh­lung. Wie das genau funk­tio­niert? Das erfahrt ihr in unse­rem nächs­ten Blog­post zu „Quan­ten­com­pu­ter ver­ste­hen“ – Stay tuned!