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Die Vorgeschichte zur Quanten-Überlegenheit
Quantencomputer werden als „Next-Big-Thing“ gehandelt aber dieses Etikett ist wohl eher maßlos untertrieben. Quantencomputer besitzen eher das Potential unsere gesamte Gesellschaft grundlegend zu verändern. Und der nächste Meilenstein ist die „Quanten-Überlegenheit“. Die Tech-Riesen Google, IBM, Microsoft, Intel und Co liefern sich gerade um diese Schallmauer aktuell spannendes Wettrennen: Wer erreicht als erstes die Quanten-Überlegenheit?
Quantencomputer waren bis vor Kurzem noch ein rein akademisches Thema. In den letzten Jahren haben die Tech-Riesen die bahnbrechenden Möglichkeiten für sich entdeckt. Mittlerweile steht der erste Quantencomputer von IBM als Cloud-Angebot bereit. Für jedermann verfügbar. Eine Handvoll anderer Quantencomputer können ebenfalls kommerziell genutzt werden. Diese Angebote sind allerdings noch sehr eingeschränkt verwendbar. Außerdem sind alle aktuellen Quantencomputer den herkömmlichen Digitalcomputern weit unterlegen. Aber das soll sich bald ändern: Mit der Nachweis der Quanten-Überlegenheit.
Was ist die Quanten-Überlegenheit?
Bereits im Jahr 2017 hatte Google den nächsten großen Meilenstein in der Ära der Quantencomputer angekündigt: Den Nachweis der Quanten-Überlegenheit. Google konnte das Versprechen nicht einlösen aber Alles deutet darauf hin das die Quanten-Überlegenheit in 2018 erreicht wird.
Mit „Quanten-Überlegenheit“ wird der Nachweis bezeichnet, dass ein Quantencomputer in der Lage ist gewisse Berechnungen wesentlich schneller auszuführen als ein herkömmlicher Supercomputer. Somit wird die „Quanten-Überlegenheit“ den Punkt in der Technologie-Geschichte markieren, an dem die Quantencomputer beginnen die herkömmlichen Computer zu überflügeln.
Anders als herkömmliche Computer arbeiten Quantencomputer nicht mit den altbekannten „Bits“, sondern mit sogenannten „Qubits“ (Quanten-Bits). Die herkömmlichen Bits sind einfach elektronische Schalter, die man zwischen den Werten 0 und 1 umschalten kann. Im Gegensatz dazu gleicht ein Qubit eher einem Zeiger, der zwischen den Werten 0 und 1 hin- und herpendelt. Dadurch ist ein Quantencomputer in der Lage mit beiden Werten gleichzeitig zu rechnen. Dieser Effekt potenziert sich mit der Anzahl der Qubits. Die Speicherkapazität eines Quantencomputers vergrößert sich im Gegensatz zu einem herkömmlichen Computer also „explosionsartig“:
- 10 Qubits entsprechen 16 Kilobyte
- 20 Qubits entsprechen 16 Megabyte
- 30 Qubits entsprechen 16 Gigabyte
Anders als ein herkömmlicher Computer ist ein Quantencomputer zudem in der Lage mit allen möglichen Werten seines Speichers gleichzeitig zu rechnen. Das bezeichnet man als „Quantenparallelismus“.
Alle verfügbare Quantencomputer bewegen sich in dieser Größenordnung. Aber natürlich geht die Entwicklung weiter. Bereits mit 45 Qubits hätte ein Quantencomputer die gleiche Speicherkapazität wie der aktuell größte Supercomputer.
Und ab einer Größe von 50 Qubits und mehr liegt die Grenze der Quanten-Überlegenheit.
Der bekannte Quantentheoretiker John Preskill (California Institute of Technology), hatte vor einigen Jahren berechnet, dass ein Quantencomputer mit 50 Qubits und mehr in der Lage sein sollte jeden herkömmlichen Supercomputer zu überflügeln. Zumindest für gewisse Berechnungen. Die Idee der Quanten-Überlegenheit war geboren. Mit dem Nachweis der Quanten-Überlegenheit gab Preskill für die aktuelle Entwicklung das nächste Ziel vor.
Wie kann der Nachweis der Quanten-Überlegenheit erbracht werden?
Die Quanten-Überlegenheit ist allerdings nur der nächste Meilenstein in der Ära der Quantencomputer. Insbesondere legte Preskill nicht fest welchen echten Nutzen eine Berechnung für den Nachweis der Quanten-Überlegenheit haben müsse. Im Laufe der letzten 20 Jahre wurde eine Vielzahl Quantenprogramme mit bahnbrechenden Erfolgsaussichten auf dem Reisbrett entworfen, für die die Quantencomputer wohl allerdings auf viele Jahre noch nicht leistungsstark genug sein werden. Es gibt aber auch erste Quantenprogramme, die auf einem Quanten-Überlegenheit Computer zur Anwendung kommen könnten.
Ein vielversprechendes Programm für einen Quanten-Überlegenheit Computer ist zum Beispiel das „Quantum Variational Eigensolver“. Es kann sowohl für die Quanten-Chemie als auch für Optimierungsaufgaben eingesetzt werden. Es berücksichtigt ausdrücklich die Einschränkungen, die ein Quanten-Überlegenheit Computer aktuell noch besitzen wird.
Mehrere Tech-Riesen haben aktuell Quantencomputer im Testbetrieb, die den Nachweis der Quanten-Überlegenheit erbringen könnten:
Allen voran Google. Googles Kandidat für die Quanten-Überlegenheit heißt „Bristlecone“ und ist seit Anfang 2018 im Testbetrieb. Google benennt Bristlecones Speichergröße mit 72 Qubits. Auf dem Papier sollte Bristlecone die Quanten-Überlegenheit also spielend nachweisen können.
Aber auch andere Tech-Riesen stehen auf der Schwelle zur Quanten-Überlegenheit. Sowohl IBM als auch Intel gaben Ende 2017 bekannt, dass sie aktuell Quanten-Überlegenheit Computer mit 50 Qubits im Testbetrieb haben.
Mehr über die Quantencomputer und die Quanten-Überlegenheit
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(Alles rund um Quantencomputer)