Quantencomputing

Was ist Quantencomputing?

Quantencomputing, ein hochmoderner Bereich der Informatik, nutzt die Quantentheorie, um zu revolutionieren, wie komplexe Rechenprobleme angegangen werden. Im Gegensatz zu klassischen Computern, die elektrische Impulse in binärer Form (1en und 0en) verwenden, um Informationen zu verarbeiten, nutzen Quantencomputer Quantenbits oder Qubits. Diese Qubits nutzen subatomare Teilchen – wie Elektronen oder Photonen – um gleichzeitig in mehreren Zuständen zu existieren, was die Rechenfähigkeiten erheblich verbessert. Dies ermöglicht es Quantencomputern, Berechnungen durchzuführen, die klassische Computer in einem überschaubaren Zeitrahmen als unüberwindbar erachten würden.

Das aufregende Potenzial des Quantencomputings zieht große Unternehmen wie IBM, Google und Microsoft an, die daran arbeiten, komplexe Probleme in den Bereichen Finanzen, Gesundheitswesen und Luft- und Raumfahrt zu lösen.

Wichtige Erkenntnisse

• Quantencomputing verwendet Qubits, die gleichzeitig in mehreren Zuständen existieren können, was schnellere und komplexere Berechnungen im Vergleich zum klassischen Rechnen ermöglicht.
• Große Unternehmen wie Google, IBM und Microsoft investieren stark in Quantencomputing und streben an, zukünftige cloudbasierte Quantendienste anzubieten.
• Quantencomputing hat das Potenzial, Sektoren wie Finanzen, Gesundheitswesen und Sicherheit zu revolutionieren, indem es die Datenverarbeitungsfähigkeiten erheblich verbessert.
• Trotz seiner Versprechungen steht das Quantencomputing vor erheblichen Herausforderungen, darunter die Aufrechterhaltung niedriger Temperaturen und die Vermeidung von Qubit-Interferenzen.
• Quantencomputer sind teurer und komplexer zu bauen als klassische Computer, bieten aber exponentielle Steigerungen der Rechenleistung, wenn Qubits hinzugefügt werden.
• Erhalten Sie personalisierte, KI-gestützte Antworten, die auf über 27 Jahren vertrauenswürdiger Expertise basieren.

Quantencomputing: Geschichte und grundlegende Konzepte

Das Quantencomputing begann in den 1980er Jahren, als Experten feststellten, dass einige Probleme mit Quantenalgorithmen besser gelöst werden konnten als mit traditionellen.1

Quantencomputing kann schnell viele Möglichkeiten durchgehen, um Lösungen für schwierige Probleme zu finden. Während klassische Computer Informationen als Bits mit entweder 0en oder 1en speichern, verwenden Quantencomputer Qubits. Qubits tragen Informationen in einem Quantenzustand, der 0 und 1 auf mehrdimensionale Weise einbezieht.2

Diese große Rechenleistung und die erwartete Marktgröße haben die Aufmerksamkeit führender Unternehmen auf sich gezogen.3 Dazu gehören IBM, Microsoft, Google, D-Wave Quantum, Nokia, Intel, Airbus, HP, Toshiba, Mitsubishi, SK Telecom, NEC, RTX (ehemals Raytheon), Lockheed Martin und Quantinuum.

Quantencomputing in Aktion: Anwendungen und Vorteile

Quantencomputing könnte Bereiche wie Sicherheit, Finanzen, Militärwesen, Arzneimitteldesign, Luft- und Raumfahrt sowie Fertigung stark beeinflussen.

Quantencomputer könnten die sichere Informationsweitergabe verbessern und Radare zur Erkennung von Raketen und Flugzeugen optimieren. Ein weiterer Bereich, in dem Quantencomputing voraussichtlich helfen wird, ist die Umwelt und die Reinhaltung von Wasser mit chemischen Sensoren.4

Hier sind einige potenzielle Vorteile des Quantencomputings:5

Finanzinstitute könnten Quantencomputing nutzen, um effektivere und effizientere Anlageportfolios für Privat- und institutionelle Kunden zu entwickeln. Sie könnten sich auf die Erstellung besserer Handels-Simulatoren und die Verbesserung der Betrugserkennung konzentrieren.

Die Gesundheitsbranche könnte Quantencomputing nutzen, um neue Medikamente und genetisch gezielte medizinische Versorgung zu entwickeln. Es könnte auch fortgeschrittenere DNA-Forschung ermöglichen.

Quantencomputing kann eine bessere Datenverschlüsselung schaffen und Licht nutzen, um Systemeindringlinge für stärkere Online-Sicherheit zu erkennen.

Quantencomputing kann verwendet werden, um effizientere, sicherere Flugzeuge und Verkehrsplanungssysteme zu entwerfen.

25%

Der geschätzte Prozentsatz des jährlichen Umsatzwachstums in der Quantencomputing- und Quantensensorik-Branche in naher Zukunft.6

Wichtige Quantenmerkmale: Superposition und Verschränkung erklärt

Superposition und Verschränkung sind zentrale physikalische Konzepte, die das Quantencomputing unterstützen. Sie befähigen Quantencomputer, Operationen mit exponentiell höheren Geschwindigkeiten als herkömmliche Computer und mit wesentlich geringerem Energieverbrauch durchzuführen.

Superposition

IBM weist darauf hin, dass der bemerkenswerte Aspekt eines Qubits nicht das ist, was es ist, sondern was es tun kann. Ein Qubit versetzt die darin enthaltenen Quanteninformationen in einen Zustand der Superposition. Dies bezieht sich auf eine Kombination aller möglichen Konfigurationen des Qubits.

Verschränkung

Verschränkung ist ein integraler Bestandteil der Rechenleistung von Quantencomputern. Qubits können verschränkt werden, was bedeutet, dass sie in einem einzigen gemeinsamen Zustand existieren. In diesem Zustand verändert die Änderung eines Qubits das andere direkt und vorhersagbar.

Quantenalgorithmen sind darauf ausgelegt, diese Beziehung zu nutzen, um komplexe Probleme zu lösen. Die Verdopplung von Bits in einem klassischen Computer verdoppelt die Leistung, aber das Hinzufügen von Qubits steigert die Rechenfähigkeit exponentiell.7

Dekohärenz

Dekohärenz tritt auf, wenn sich das Quantenverhalten eines Qubits aufgrund sofortiger Störungen durch Vibrationen oder Temperaturänderungen verschlechtert. Dies kann dazu führen, dass Qubits aus der Superposition fallen und Fehler in der Berechnung auftreten. Qubits müssen durch supergekühlte Kühlschränke, Isolierung und Vakuumkammern vor Störungen geschützt werden.7

Barrieren überwinden: Herausforderungen im Quantencomputing

Quantencomputing bietet enormes Potenzial für Entwicklungen und Problemlösungen in vielen Branchen. Derzeit hat es jedoch seine Grenzen.

Dekohärenz oder Zerfall kann durch die geringste Störung in der Qubit-Umgebung verursacht werden. Dies führt zum Zusammenbruch von Berechnungen oder zu Fehlern darin. Wie oben erwähnt, muss ein Quantencomputer während der Berechnungsphase vor allen äußeren Störungen geschützt werden.

Die Fehlerkorrektur während der Berechnungsphase ist noch nicht perfektioniert. Das macht Berechnungen potenziell unzuverlässig. Da Qubits keine digitalen Datenbits sind, können sie nicht von den herkömmlichen Fehlerkorrekturverfahren profitieren, die von klassischen Computern verwendet werden.

Das Abrufen von Berechnungsergebnissen kann die Daten beschädigen. Entwicklungen wie ein bestimmter Datenbanksuchalgorithmus, der sicherstellt, dass der Messvorgang den Quantenzustand in die richtige Antwort dekoherieren lässt, sind vielversprechend.8

Sicherheit und Quantenkryptographie sind noch nicht vollständig entwickelt.

Skalierungsprobleme verhindern, dass Quantencomputer ihr Potenzial für eine wirkungsvolle Nutzung ausschöpfen. Forscher suchen noch nach Wegen, die Anzahl der Qubits zu erhöhen, die Quantenprozessoren verarbeiten können. Beispielsweise plant IBM, bis 2029 ein Quantensystem zu starten, das 200 logische Qubits verarbeiten kann (Systeme waren bisher in der Regel für weniger als 60 logische Qubits ausgelegt).910

Laut dem globalen Energieunternehmen Iberdola "müssen Quantencomputer nahezu keinen atmosphärischen Druck, eine Umgebungstemperatur nahe dem absoluten Nullpunkt (-273°C) und eine Isolierung vom Erdmagnetfeld haben, um zu verhindern, dass die Atome sich bewegen, miteinander kollidieren oder mit der Umgebung interagieren."

"Darüber hinaus arbeiten diese Systeme nur für sehr kurze Zeitintervalle, so dass die Informationen beschädigt werden und nicht gespeichert werden können, was die Wiederherstellung der Daten noch schwieriger macht."5

Quanten- vs. klassische Computer: Die Unterschiede verstehen

Quantencomputer haben eine einfachere Struktur als klassische Computer. Sie haben keinen Speicher oder Prozessor. Alles, was ein Quantencomputer verwendet, ist ein Satz supraleitender Qubits.5

Quantencomputer und klassische Computer verarbeiten Informationen unterschiedlich. Ein Quantencomputer verwendet Qubits, um mehrdimensionale Quantenalgorithmen auszuführen. Ihre Rechenleistung steigt exponentiell, wenn Qubits hinzugefügt werden. Ein klassischer Prozessor verwendet Bits, um verschiedene Programme auszuführen. Seine Leistung steigt linear, wenn mehr Bits hinzugefügt werden. Klassische Computer haben eine viel geringere Rechenleistung.

Klassische Computer eignen sich am besten für alltägliche Aufgaben und haben niedrige Fehlerraten. Quantencomputer sind ideal für höherstufige Aufgaben wie die Durchführung von Simulationen, die Analyse von Daten (z. B. für chemische oder Arzneimittelstudien) und die Entwicklung energieeffizienter Batterien. Sie können auch hohe Fehlerraten aufweisen.

Klassische Computer benötigen keine besondere Pflege. Sie verwenden möglicherweise einen einfachen internen Lüfter, um eine Überhitzung zu vermeiden. Quantenprozessoren müssen vor den geringsten Vibrationen geschützt werden und extrem kühl gehalten werden. Dazu müssen supergekühlte Suprafluide verwendet werden.11

Quantencomputer sind zudem teurer und schwieriger zu bauen als klassische Computer.

Wichtig

Im Dezember 2024 demonstrierte Google einen Quantencomputer, der ein Problem in Minuten lösen kann, für das ein klassischer Computer 1025 Jahre (10 Septillionen) benötigen würde.2

Führend im Quantenrennen: Hauptakteure und ihre Fortschritte

Google

Google gibt Milliarden von Dollar aus, um seinen Quantencomputer bis 2029 zu bauen. Das Unternehmen eröffnete einen Campus in Kalifornien namens Google AI, um dieses Ziel zu erreichen. Einmal entwickelt, könnte Google einen Quantencomputerdienst über die Cloud starten.12

IBM

IBM plant, bis 2029 einen 200-Qubit-Quantencomputer bereitzustellen. Derzeit gewährt IBM seinen Maschinen Zugang für die Forschungsorganisationen, Universitäten und Labore, die Teil seines Quantum Network sind.13

Microsoft

Microsoft bietet Unternehmen über die Azure Quantum Plattform Zugang zu Quantentechnologie.14

Andere

Es gibt Interesse an Quantencomputing und seiner Technologie von Finanzdienstleistungsunternehmen wie JPMorgan Chase und Visa.1516

Was ist Quantencomputing in einfachen Worten?

Quantencomputing bezieht sich auf das Rechnen, das von einem Quantencomputer durchgeführt wird. Im Vergleich zum traditionellen Rechnen, das von einem klassischen Computer durchgeführt wird, sollte ein Quantencomputer in der Lage sein, viel mehr Informationen zu speichern und mit effizienteren Algorithmen zu arbeiten. Dies führt dazu, dass extrem komplexe Aufgaben schneller gelöst werden.

Wie viel kostet ein Quantencomputer?

Ein Quantencomputer kostet Millionen, um gebaut zu werden. Im Jahr 2020 plante das in China ansässige Unternehmen Shenzhen SpinQ Technology jedoch, einen Desktop-Quantencomputer für 5.000 US-Dollar an Verbraucher für Schulen und Hochschulen zu verkaufen. Im Vorjahr hatte es begonnen, einen Quantencomputer für 50.000 US-Dollar zu verkaufen.17

Wie schnell ist ein Quantencomputer?

Bestimmte Aufgaben können auf einem Quantencomputer tausende Male schneller ausgeführt werden als auf einem traditionellen.