29. April 2020

ExplainIT: Quanten­computing erklärt


Kategorie: Service


Ein Gastbeitrag von:
Prof. Dr. Claudia Linnhoff-Popien - Prof. Dr. Claudia Linnhoff-Popien

Co-Autoren­schaft:
Sebastian Zielinski, M. Sc. - Sebastian Zielinski, M. Sc.



Hinweis: Gastbeiträge sind persönliche Inhalte der Autor*innen und geben nicht die Ansicht der Landeshauptstadt München wieder.
Zukünftig sollen mittels Quantencomputing Probleme gelöst werden, die aufgrund ihrer Komplexität von klassischen Computern nicht effizient bearbeitet werden können. Aber was sind Quantencomputer und wie funktionieren sie? Das erklären uns in einem Gastbeitrag Prof. Dr. Claudia Linnhoff-Popien und Sebastian Zielinski von der LMU in unserer Serie #ExplainIT:

 

Quantencomputing – von Bits und Qubits

In klassischen Computern, wie wir sie aus dem Alltag kennen (PC, Laptop, Smartphones) sind die Informationsträger „Bits“. Diese Bits haben zu jedem Zeitpunkt einen der klar definierten Werte „0“ oder „1“. Realisiert werden Bits in klassischen Computern mit Hilfe von Transistoren.

Die Informationsträger in Quantencomputern bezeichnet man dagegen als „Quantenbits“ oder „Qubits“. Im Gegensatz zu Bits befinden sich Qubits während der Berechnung gewissermaßen gleichzeitig im Zustand „0“ als auch „1“ (jeweils mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit). Und erst am Ende des Berechnungsvorgangs befindet sich ein Qubit dann sicher in einem der Zustände „0“ oder „1“. Qubits können grundsätzlich aus geladenen Atomen, geladenen Molekülen oder Photonen („Lichtteilchen“) bestehen. Weitere Ansätze basieren auf sogenannten Supraleitern. Das sind Materialien, deren elektrischer Widerstand beim Unterschreiten einer bestimmten Temperatur gegen null strebt.

Quantenbits unterliegen im Gegensatz zu klassischen Bits den physikalischen Gesetzen der Quantenmechanik und bringen daher einige Eigenschaften mit, die klassische Bits nicht besitzen. Die wichtigsten dieser Eigenschaften sind zum einen die „Superposition“ und zum anderen die „Verschränkung“.

Superposition – wie eine Münze in der Luft

Während des Berechnungsvorgangs können Qubits in einen sogenannten „Superpositionszustand“ überführt werden. In diesem Zustand kann man für ein konkretes Qubit, welches sich in Superposition befindet, nicht mit Sicherheit sagen, ob es nun den Wert „0“ oder „1“ besitzt, sondern nur noch, dass es mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit am Ende des Berechnungsvorgangs den Wert „0“ bzw. „1“ haben wird.

Anschaulich kann man dieses Phänomen mit einem Münzwurf vergleichen. Am Ende des Münzwurfs erhält man entweder Kopf („1“) oder Zahl („0“). In der Luft hat man es jedoch lediglich mit Wahrscheinlichkeiten zu tun (im Fall der Münze 50/50).

Verschränkung

Durch verschiedene Operationen innerhalb des Quantencomputers können Qubits „verschränkt“ werden. Sind mehrere Qubits miteinander verschränkt, kann der Zustand eines Qubits nicht mehr unabhängig von den Zuständen der anderen Qubits des Systems beschrieben werden. Für dieses schwer zu verstehende Phänomen der Quantenmechanik gibt es leider keinen Münzwurf-Vergleich 🙁

Das Ziel beim Quantencomputing ist es, Algorithmen zu entwickeln, die das jeweilige Problem unter Ausnutzung der Superposition sowie der Verschränkung lösen. Durch das Benutzen dieser beiden quantenmechanischen Eigenschaften kann sich je nach Problem und Algorithmus ein potenziell großer Geschwindigkeitsvorteil ergeben.

Quantencomputer verändern die Anforderungen an Verschlüsselung

Das klassische Computer bestimmte Probleme nicht so effizient lösen können, ist nicht immer ein Problem, denn wir nutzen dies auch gezielt zum Schutz von Daten aus. So basiert zum Beispiel die Sicherheit von aktueller Daten-Verschlüsselung darauf, dass klassische Computer den passenden „Schlüssel“ nicht effizient berechnen können.

Aber Quantencomputer können diese Verschlüsselung knacken. Hier gibt es dafür bereits den sogenannten „Shor-Algorithmus„. Auch wenn Quantencomputer im Moment noch nicht für solche realen Fragestellungen eingesetzt werden können, müssen wir uns zukünftig vermehrt Gedanken über neue Verschlüsselungstechnologien machen.

Wie ist der Stand von Quantencomputing heute

Quantencomputer sind aktuell noch nicht sehr weit verbreitet. Nur wenige Organisationen wie zum Beispiel Google, Lockheed Martin oder die NASA besitzen einen Quantencomputer auf denen (wenn auch nur kleine) Probleme gelöst werden können. Erste Quantencomputer wurden in den letzten Jahren für Preise zwischen 10 und 20 Millionen Dollar verkauft.

Zum jetzigen Zeitpunkt ist es vielmehr so, dass Hersteller kommerzieller Quantencomputer (D-Wave Systems oder IBM) ihre Systeme über eine Schnittstelle (API) zugänglich machen. Das bedeutet, dass die Quantencomputer an den jeweiligen Standorten der Firmen stehen und Nutzerinnen und Nutzern ihre Probleme zum Lösen dort „hinschicken“. Für die Nutzung der Quantencomputer fallen dann, je nach Nutzungsgrad, entsprechende Kosten an.

Die Gastautoren

Frau Prof. Dr. Claudia Linnhoff-Popien ist Inhaberin des Lehrstuhls für Mobile und Verteilte Systeme an der LMU. Aufgrund der Fortschritte im Bereich Quantencomputing rief sie 2017 das Quantum Applications and Research Laboratory (QAR-Lab) an ihrem Lehrstuhl ins Leben, welches sich schwerpunktmäßig mit der Erforschung und praktischen Anwendbarkeit von Quantencomputing beschäftigt.

Sebastian Zielinski hat an der LMU München Informatik studiert und ist nun wissenschaftlicher Mitarbeiter am QAR-Lab der LMU München. Der Schwerpunkt seiner Forschung liegt im Themenbereich Quantencomputing und Optimierung. Eng verbunden mit seiner Schwerpunktforschung sind Forschungsinteressen in den Bereichen der künstlichen Intelligenz sowie der Informationstheorie.

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