Quantencomputer und Quantenmechanik – Ist das unsere Zukunft?

Sind Quantencomputer unsere neue Zukunft? Wer den technologischen Fortschritt der letzten Jahre oder gar Jahrzehnte beobachtet hat, hat festgestellt, dass viele der neu eingesetzten IT-Systemen in Firmen oder auch im privaten Gebrauch schnell überholt und somit veraltet sind. Quantencomputing und die damit genutzten Quantencomputer sind schon seit einiger Zeit im Gespräch. Was man unter Quantencomputer versteht und welche Chancen und Risiken diese mitbringen, stellen wir Ihnen in unserem heutigen Beitrag vor.

Was sind Quantencomputer?

Ein Quantencomputer mit dem darin verbauten Quantenprozessor wird als eine Art „Super Computer“ in der IT-Welt bezeichnet. Dabei nutzt der verbaute Prozessor, wie der Name schon sagt, die Gesetze der Quantenmechanik bzw. Quantencomputing.

Aber was heißt das jetzt?

Ein üblicher Computer arbeitet auf den elektronischen Zuständen, vielen bekannt als die kleinste Recheneinheit, den sogenannten „Bits“; die aus Nullen und Einsen bestehen. Der Quantencomputer hingegen arbeitet mit den quantenmechanischen Zuständen. Ein Quantenbit kann somit viele Zustände zwischen diesen beiden Zahlen einnehmen. Vergleichen kann man dies mit einem Lichtschalter mit Dimm-Funktion. So kann ein normaler Lichtschalter nur an- bzw. ausgeschaltet sein (Null oder Eins). Der Schalter mit der Dimm-Funktion kann mehrere Zustände dazwischen einnehmen (Quantentechnologie). Dieser bildlich dargestellte Zustand nennt man in der Quantendynamik „Superposition“.

Zukunft der Informationstechnik: Quantenmechanik und Quantencomputer

Die Quantenmechanik hat großes Potenzial! Ein Quantencomputer mit seinen genutzten Quantenbit ist deutlich leistungsfähiger in seinen Prozessen, wie ein herkömmlicher Computer. Die genutzten Quantenbits können mit anderen Quantenbits zusammengeschaltet werden. Dadurch entsteht ein Quantensystem, das selbst komplexeste Berechnungen, wie Klimavorhersagen, diverse Prognosen oder Geo-Berechnungen mühelos erarbeiten kann.

Auch in Bereich der Kommunikation kann die Quantenmechanik die Verschlüsselung auf ein ganz neues Level bringen. Um mehr über die Verschlüsselung über die Quantentechnologie zu erfahren, lesen Sie unseren Beitrag „Quantenkommunikation: Abhörsicheres Internet“ und den nachfolgenden Beitrag „Quantenkryptografie einfach erklärt“.

Chancen der Quantenmechanik in der Wirtschaft

So ist auch die Entwicklung des Quantencomputing auf den Finanzmärkten nachvollziehbar: Investoren setzen an der Börse auf die neuartigen Computer. Rund 200 Millionen Dollar Wagniskapital sind in den vergangenen Jahren jährlich in Start-ups aus der Branche geflossen. Im Jahr 2020 folgte die Verdoppelung auf 500 Millionen Dollar.

Laut dem Strategie- und Unternehmensberater BCG sollen Quantencomputer ab dem Jahr 2050 zwischen 450 und 850 Milliarden Dollar an Wert schaffen. Dies soll durch neue Umsätze, als auch durch geschaffene Kostenersparnissen bewerkstelligt werden. Marktprognosen zufolge, soll bis 2030 die Branche selbst, also die Hersteller von Quantencomputern, jährlich einen Umsatz von 65 Milliarden Dollar erzielen.

Probleme und Risiken bei Quantencomputer

Derzeit ist die Quantenmechanik noch nicht vollends erforscht und dementsprechend auch die entwickelten der Quantencomputer. Daher sind viele Annahmen nur theoretisch oder beruhen auf Ergebnissen und Prognosen von Prototypen zum aktuellen Zeitpunkt.

Die auf dem Markt existierenden Prototypen eines Quantencomputers können den Zustand der „Superposition“ der Quantenbits lediglich nur Millisekunden aufrechterhalten. Anschließend zerfällt das Quantensystem. Grund dafür sind die Quanten an sich, denn diese müssen extrem gekühlt werden, dürfen nicht auf anderen Quanten im System treffen und müssen von diesen isoliert werden. Das stellt derzeit die größte technische Herausforderung für die Wissenschaftler dar.

Zusätzlich stellt die Programmierung der Quantencomputer ein anschließendes Problem dar. Es gibt zwar bereits Quantencomputer mit mehr als 2.000 Quantenbits, diese sind aber nur für eine bestimmte Aufgabe programmiert worden. Das wäre so als hätte man den schnellsten Computer der Welt, der aber nur eine Funktion – beispielsweise Addition der Taschenrechner-App – nutzen kann.

Wo geht die Reise der Quantenmechanik hin?

Entwickelnde arbeiten stetig am Voranschreiten des Quantencomputings. Daher werden frei programmierbare Quantenbits erst simuliert; d.h. mithilfe von Supercomputern die Rechenleistung von frei programmierbaren Quantenbits nachgestellt. Derzeit liegt der Rekord bei 49 dieser Quantenbits, die in Deutschland erreicht wurden.

Im Supercomputing Center Jülich (Nordrhein-Westfalen, Deutschland) ist ein neuer Quantencomputer in Betrieb gegangen, der mit 5.000 Quantenbits als Quantenannealer höchst aufwendige Rechenoperationen unterstützt, wie sie etwa in der Klimaforschung anfallen. Die Anlage ist nach Angaben der Forschenden die größte außerhalb Nordamerikas. – Januar 2022 / PC-Welt

Die allgemeine Rechenleistung von Computern wird mit der Quantenmechanik entsprechend deutlich steigen, wenn die Erforschung des Algorithmus und die Technik der Quantentechnologie von den Wissenschaftlern und Entwicklern verstanden und umgesetzt wurde. Mit den Chancen und Vorteilen des Quantencomputings gibt es, wie bei allem, auch die Schattenseite! Denn mit Voranschreiten der Technologie entstehen auch bisher ungeahnte Risiken, Gefahren und Schwachstellen in diesem System. Diese müssen von der IT-Sicherheit erkannt und Maßnahmen für diese entwickelt werden.