Ausblick Quantenprozessor: Die Zukunft der herkömmlichen Computer?

Die Gründe für die Ankündigung, Intels zukünftige Produktionszyklen zu verlängern, mögen verschieden sein. Einer der wichtigsten ist aber der, dass die Entwickler auf immer mehr Probleme stoßen, die auf quantenmechanischen Effekten beruhen.

In diesem Zusammenhang ist der sogenannte Tunneleffekt zu erwähnen. Hierbei können Teilchen, in diesem Fall Elektronen, eine Barriere überwinden, die nach herkömmlicher Physik unüberwindbar ist. Bei Prozessoren sind die Transistoren nicht mehr voneinander getrennt und einzelne Bits können negiert werden. Was dies bedeutet kann sich jeder denken – Ergebnisse werden nicht mehr verlässlich.

Um weiterhin die Prozessorfähigkeiten zu verbessern, arbeitet die Wissenschaft aktuell besonders stark an Quantenprozessoren. Diese nutzen einige grundlegende Regeln der theoretischen Physik aus. Der folgende Text soll ein Versuch sein euch zu erklären, was da passiert und welche Möglichkeiten Quantenprozessoren bieten.

Quantenbits sind die neuen Bits

Quantenbits, auch Qubits genannt, ersetzen dabei die herkömmlichen Bits. Hierbei werden in den meisten bisher realisierten Prozessoren Ionen in einer Ionenfalle genutzt. Der Kniff besteht darin, dass die einzelnen Qubits nicht für sich allein stehen, sondern alle miteinander verknüpft sind.

Verknüpfte Teilchen sind Teilchen, deren Zustände voneinander abhängen. Um das mehr zu erklären und zu verstehen ist ein halbes Physikstudium nötig. Uns Normalbürgern reicht zu wissen, dass wenn ein Qubit des Prozessors in irgendeinen Zustand fällt, alle anderen Qubits in einen entsprechenden Zustand fallen.

Dazu sollte man ebenfalls wissen, dass der Zustand eines Teilchens solange unbestimmt ist, bis eine Messung durchgeführt wird. Dieser Zustand ist dann fest, bis die Messung vorbei ist. Welcher Zustand dann auftaucht ist eine Frage der Wahrscheinlichkeit. Wenn von Zuständen die Rede ist, spielen in der Quantenmechanik viele Faktoren eine Rolle. Für Quantenprozessoren sind nach klassischer Physik nur zwei Zustände interessant: Angeregt und nicht angeregt.

Da bei der Quantenmechanik alles mit Wellen und Schwingungen zusammenhängt, lässt sich ein Quantenprozessor außerdem mit einer Gitarre vergleichen. Bildlich gesehen werden die Quantenbits in den richtigen Frequenzen, jede Frequenz überträgt dabei eine andere Menge Energie, angeregt und auf Grund von Überlagerungen von Wellen und Schwingungen wird nur der richtige Lösungsweg dargestellt. Dieser hat dann die höchste Wahrscheinlichkeit.

Enorme Rechenleistungen

Weil bei Quantenprozessoren kein Zustand festgelegt ist, existieren alle anderen möglichen Zustände quasi gleichzeitig (hier sei mal Schrödingers Katze erwähnt). Deshalb können bisher fast unmögliche Rechenoperationen durchgeführt werden.

Erste Prozessoren mit “gerademal” 7 Qubits konnten zum Beispiel problemlos eine Primfaktorzerlegung von 15 durchführen. Vor allem Kryptologen sehen darin die Möglicheit bisherige Verschlüsselungen zu knacken, da viele Verschlüsselungstechniken auf Primfaktorzerlegung basieren. Die kryptologische Bedeutung wird besonders durch die Leaks von Snowden deutlich. Denn die NSA soll anscheinend an einem kryptologisch relevanten Quantencomputer arbeiten. Was das für uns Bürger bedeutet, kann sich wohl auch jeder denken.

Die NASA und Google arbeiten außerdem ebenfalls an einem Quantencomputer mit knapp 1000 Qubits. Dieser rechnete unter Testbedingungen bis zu 100 Millionen mal schneller und soll vor allem bei Optimierungsproblemen, zum Beispiel die  Berechnung der kürzesten Route zwischen drei oder mehr Städten, verwendet werden.

Zudem wäre eine echte lernfähige KI möglich, die womöglich sogar das menschliche Gehirn übertreffen könnte, da theoretisch alle Lösungswege parallel ausprobiert werden könnten. Unser Denkvermögen macht vor allem die Fähigkeit zu kreativer Lösungsfindung aus. Das heißt, wir probieren parallel mehrere Lösungswege aus und verwerfen sofort die Wege, die in eine Sackgasse verlaufen.

Eine weitere Anwendunsmöglichkeit sehe ich in Hinblick auf die diesjährige Build-Konferenz in San Francisco bei den Bots, vor allem bei den Bilderkennungsalgorithmen. Ein Quantenprozessor könnte hier schneller und genauer arbeiten, als es aktuell möglich ist.

Probleme bei der Realisierung

Bis Ihr Euch einen Quantencomputer ins Wohnzimmer stellen könnt, werden aber noch Jahre vergehen. Bisher brauchten die Wissenschaftler extreme Umgebungsbedingungen: Temperaturen nahe des absoluten Nullpunktes, dieser liegt bei -273,15 °C, und annäherndes Vakuum. Zusätzlich würdet ihr den Platz eines Gartenhäuschens brauchen.

Außerdem muss aller Wahrscheinlichkeit nach die herkömmliche Informatik umdenken, da ja nicht mehr die eindeutigen Zustände 1 und 0 auftauchen, sondern auch alles zwischen diesen. Spätestens dann wird Microsoft auch einen komplett neuen Kernel für Windows erstellen müssen.

Oder wir werden nie alleinstehende Quantencomputer sehen, sondern zusammen mit einem herkömmlichen Prozessor erleben. Dieser Lösungsansatz steht auch in vielen Laboren. Die Eingaben verlaufen so über einen herkömmlichen Prozessor, dieser steuert dann die Anregung der Qubits und nach Beendigung der Berechnungen liest er die Zustände aus und gibt das Ergebnis aus.

Weiterhin fehlen momentan noch verlässliche Kontrollmechanismen. Ein Mitarbeiter der Nasa fasste es so zusammen, dass man nach aktuellem Wissensstand bei der Eingabe von “A” hoffen muss, dass nicht “B” ausgegeben wird.

Zudem kommen Quantenprozessoren momentan nur für einige Rechenprobleme in Frage. Bis also ein Heimcomputer mit dieser Technologie käuflich sein wird, kann es noch dauern. Und wenn wir Pech haben werden wir nie einen solchen Computer für universelle Probleme sehen. Ein solcher Computer wäre übrigens auch ein Quantensprung für Gaminganwendungen.

Bei immer mehr Auslagerungen in die Cloud, auch von Microsoft, denke ich nicht mehr an einen Quantencomputer im Wohnzimmer, sondern an Rechenzentren in denen solche Prozessoren arbeiten. Die Kosten könnten so minimal gehalten werden, da die oben genannten extremen Umweldbedingungen kaum umgangen werden können. Und außerdem: Wer will sich schon ein Gartenhäuschen in die Wohnung stellen.

Um es mal mit den Worten Microsofts zu sagen: Wir werden die Marktreife eines solchen Computers ‘later this century’ sehen.

Bei diesem Artikel handelt es sich teilweise auch um einen Meinungsartikel des Autors.

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Quellen Spiegel Welt der Physik Washington Post Heise Heise Telepolis

Titelbild Ionenfalle Baustelle