Summary
Der Quantencomputer findet heute den Einzug in die Geschäftswelt und deren praktischen Anwendungen und verlässt den rein wissenschaftlichen Bereich. Der Quantencomputer wird uns ermöglichen bisher ungelöste Herausforderungen im Bereich der künstlichen Intelligenz und vielfältigsten Simulationen ermöglichen. In allen Bereichen in denen große Datenmengen und parallele Verarbeitungen notwendig sind.
Transistorenminiatisierung stößt heute an seine Grenzen
Auf einem Chip von 2 * 2 cm befinden sich 18 Mrd. Transistoren. Nun erreicht man die physikalische Grenzen bei der Herstellung bei einer Transistorengröße von 10 Nanometern. Der Transistor stellt die wohlbekannte Ausprägung 0 und 1 dar (1 Bit).
Das bisherige Herstellungsverfahren mittels ultravioletten Lichtes stößt nun an seine Grenzen. Bei Transistoren in diesen kleinen Größen (wenige Atome groß) springen die Elektronen über die Schranke im Transistor (passieren den geschlossenen Transistor) und der Transistor verliert damit seine Wirkung der Darstellung von 0 oder 1, da die Elektronen sich verselbständigen. Dieser Effekt wird Quantenmechanischer Effekt genannt.
Wie funktioniert ein Quantencomputer?
Genau dieser Effekt wird genutzt für die Herstellung von Quantencomputern. Denn bei einem Quantencomputer wird nicht mehr nur ein Bit (also 0 und 1; „entweder oder“) verwendet, sondern ein Qubit (0, 1 und 0/1; 2sowohl als auch“). Der Qubit erlaubt es somit, dass 2 Zustände (0 und 1) gleichzeitig eingenommen werden können. Diese Eigenschaft nennt sich Superposition. Wenn nun der Zustand des Transistors gemessen wird „kolabiert“ dieser Qubit in einer klar definierten Wahrscheinlichkeit 1 oder 0.
Bei klassischen Bits werden vier verschiedene Kombinationen im Transistor abgebildet: 00, 11, 01 und 10. Bei einem Qubit können alle vier Kombinationen gleichzeitig verwendet werden. Damit ist es möglich für N Qubits = 2 hoch N Bits darzustellen. Zusätzlich sind aufgrund der Superposition auch parallele Rechenoperationen möglich. Diese vervielfältigen sich mit jedem zusätzlichen Qubit exponentiell.
Weiterhin gibt es eine weiteren Quantenmechanischen Effekt der „Verschränkung“ = Verknüpfung eines Qubits mit einem anderen Qubit. Ein Qubit reagiert auf die Veränderung seines Partner-Qubits automatisch.
Die Erlahmung des Moorschen Gesetzes (alle 18 Monate eine Verdoppelungen der Rechenleistung) dürfte mit der Entwicklung der Quantencomputer bei vielen Anwendungen wieder gestoppt sein.
Sinnvolle Anwendungen des Quantencomputers
Daher kann der Quantencomputer grundsätzlich parallele Berechnungen besser durchführen und ist somit sehr gut geeignet für das Suche in Datenbanken, Entcrypten von Verschlüsselungen und bei Simulationen. Bei sequentiellen Berechnungen spielt der Quantencomputer keinen Vorteil aus und hier wird aus Kostengründen sicherlich weiterhin der klassische Computer (Digitalrechner) bis auf weiteres eingesetzt werden.
Beispiele für Simulationen können sein:
- Simulationen von Molekühlen in der Chemie und Pharmaindustrie
- Verkehrssimulationen
- Quantenalgorithmen in der künstlichen Intelligenz
- Kryptographie
Damit bewegt sich der Quantencomputer nun aus der wissenschaftlichen Forschungsnische hinein in die Geschäftswelt und deren praktischen Anwendungen.
Wie programmiert man einen Quantencomputer?
Die zu verwenden Algorithmen unterscheiden sich von den Algorithmen des Digitalcomputers um die Verschränkung und Superposition zu nutzen. Mehrere Rechenoperationen werden angewendet, sogenannte Quantengatter, um die oben beschriebenen Qubits zu verschränken, auszulesen oder zu verändern. Spezielle Algorithmen zur Primfaktorenzerlegung (in der Krypotographie) und spezielle Suchalgorithmen (zur Datenbankabfrage) gibt es bereits seit langem, werden aber nun in geschäftlichen Umgebungen angewendet.
