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Elektronen und Qubits

Mit den Quantencomputern stehen wir am Anfang einer vollkommen neuen Computergeneration. Durch sie verspricht man sich schneller zu Lösungen zu kommen und bisher nicht erreichbare Potenziale in Industrie und Gesellschaft zu erschließen. Von Christoph Berger

Quanteninformatiker Jun.-Prof. Dr. Sevag Gharibian von der Universität Paderborn möchte mit einem neuen Forschungsprojekt einen Beitrag zum besseren Verständnis der Quantencomputer leisten, den neuen Superrechnern. Dieser auf uns zukommenden Computergeneration wird prophezeit, dass sie herkömmliche PCs alt aussehen lässt und Probleme lösen wird, an denen selbst die besten Superrechner bislang scheitern. Nicht umsonst leisten sich die großen Tech-Unternehmen aktuell einen Wettkampf um die Entwicklung der Megarechner. Diese Aufgabe ist herausfordernd, sind Quantencomputer doch schwer zu bauen und zu programmieren.

Gharibian will untersuchen, wie sich mithilfe von Quantensystemen die physikalischen Eigenschaften und Prozesse der Natur berechnen lassen. „In der Quanteninformatik arbeiten wir daran, die nächste Computergeneration zu bauen. Heutige Rechner basieren auf der klassischen Mechanik und rechnen mit Bits. Quantencomputer dagegen funktionieren auf Basis der Quantenmechanik und rechnen mit Quanten-Bits, meist Qubits genannt“, erklärt er.

Während die klassische Mechanik mathematisch beschreibt, wie groß oder makroskopisch sich Objekte verhalten, widmet sich die Quantenmechanik der Welt des Allerkleinsten: Sie untersucht die mathematischen Gesetze, die bestimmen, wie klein oder subatomar Objekte wie Photonen, also winzige Lichtteilchen, agieren. Als bildhaften Vergleich wählt Gharibian einen Tennisball in Bewegung: Er kann nur an einem Ort sein und einen Zustand annehmen; kleine Objekte wie Elektronen dagegen können gleichzeitig an verschiedenen Orten und in verschiedenen Zuständen existieren. Übertragen auf die Welt der Computer bedeutet das, dass im Chip eines normalen PCs ein Bit durch einen Prozessor, ein klassisches Objekt, modelliert wird. Durch den Prozessor fließt entweder Strom oder nicht. Bei „Strom an“ nimmt das Bit den Zustand 1 an, bei „Strom aus“ den Zustand 0. Im Quantencomputer dagegen ist der Prozessor durch beispielsweise ein Elektron, ein subatomares Objekt, ersetzt. Das Bit wird dann durch das Elektron modelliert, Teil des Elektrons und zum Qubit. Das Qubit kann wie das Bit den Zustand 1 oder 0 annehmen – aber auch gleichzeitig im Zustand 1 und 0 sein sowie in theoretisch unendlichen Zuständen dazwischen. Genau diese auf den ersten Blick schwer greifbare Fähigkeit der Qubits macht Quantencomputer schneller und leistungsfähiger als bisherige Rechner.

Quantencomputer sind derzeit zum einen für die Verarbeitung großer Datenmengen und im Bereich der Kryptographie, der Wissenschaft der Verschlüsselung von Informationen, interessant.

„Quantencomputer nutzen außerdem das quantenphysikalische Phänomen der Verschränkung“, erzählt der Informatiker. So können Qubits quantenverschränkt, also miteinander verknüpft sein. Wird ein Qubit in einen bestimmten Zustand gebracht, ändert sich auch der Zustand der anderen mit ihm verbundenen Qubits. Das geschieht mit Überlichtgeschwindigkeit. Wenn mehrere Qubits miteinander quantenverschränkt sind, kann auch der Quantencomputer mit Überlichtgeschwindigkeit und damit deutlich schneller als aktuelle Computer rechnen. „Quantencomputer sind derzeit zum einen für die Verarbeitung großer Datenmengen und im Bereich der Kryptographie, der Wissenschaft der Verschlüsselung von Informationen, interessant – beispielsweise mit dem sogenannten Shor-Algorithmus, der Mittel der Quanteninformatik nutzt. Zum anderen könnten uns Quantencomputer dabei unterstützen, die Eigenschaften der Materie besser zu verstehen. Dadurch ließen sich etwa neue Medikamente entwickeln und neuartige Nanomaterialien designen“, erklärt der Wissenschaftler.

Allerdings ist vieles davon laut Gharibian noch Zukunftsmusik, denn die Entwicklung der Quantencomputer steckt noch in den Kinderschuhen. Forschern in Bristol ist es allerdings in Kooperation mit der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) im Bereich der absolut abhörsicheren und nicht entschlüsselbaren Kommunikation gelungen, ein Netzwerk aufzubauen, das quantenverschlüsselte Kommunikation zwischen acht Teilnehmern erlaubt.

„Wir nutzen eine zentrale Quelle für verschränkte Photonen, mit der die acht Netzwerkteilnehmer über Glasfasern verbunden werden. Die Detektoren der einzelnen Teilnehmer waren für das Experiment alle im selben Raum, aber die Glasfasern, über die die Photonen ausgetauscht werden, verliefen über mehrere Kilometer durch ganz Bristol“, sagt Sören Wengerowsky, der für das Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der ÖAW am Experiment beteiligt war. Die Quantenverschlüsselung im Netzwerk funktioniert, indem die zentrale Quelle verschränkte Photonenpaare erzeugt und dann separiert an die Netzwerkteilnehmer verteilt. Diese messen, wann Photonen eintreffen und veröffentlichen die Ankunftszeiten. Doch auch dieses Beispiel zeigt, dass die Quanteninformatik noch am Anfang steht. Ebenso die Bekanntgabe einer Kooperation zwischen der Fraunhofer- Gesellschaft und IBM aus dem März dieses Jahres, die den Zugriff der hiesigen Wirtschaft und Wissenschaft auf einen IBM-Quantencomputer zum Inhalt hat. So sollen die Technologie, Anwendungsszenarien und Algorithmen erforscht und der Kompetenzaufbau sowie Wettbewerbsvorteile generiert werden.

Europa und im Speziellen Deutschland befindet sich derzeit im weltweiten Forschungswettlauf auf Augenhöhe mit den USA und China.

Im Rahmen der Zusammenarbeit wird ein IBM Q System One Quantencomputer in einem Rechenzentrum von IBM Deutschland bei Stuttgart installiert. Das System soll zu Jahresbeginn 2021 in Betrieb gehen und wird das erste seiner Art in Europa sein. Fraunhofer plant, etablierte Partner aus Forschung und Industrie unter dem Dach einer Forschungsinfrastruktur von Fraunhofer-Instituten zusammenzubringen, die als Kompetenzzentren in einem zentral koordinierten nationalen Fraunhofer- Kompetenznetzwerk für Quantencomputing zusammenarbeiten. Dieses hat sich die Weiterentwicklung und den Transfer anwendungsorientierter Quantencomputerstrategien unter vollständiger Datenhoheit nach europäischem Recht zum Ziel gesetzt und wird zunächst mit Kompetenzzentren in voraussichtlich sechs Bundesländern vertreten sein – Baden-Württemberg, Bayern, Rheinland-Pfalz, Berlin, Hessen und Nordrhein-Westfalen.

Immerhin: „Europa und im Speziellen Deutschland befindet sich derzeit im weltweiten Forschungswettlauf auf Augenhöhe mit den USA und China. Das dynamische Wachstum und die vielen offenen Forschungsfragen bedeuten jedoch auch, dass es einer kontinuierlichen Forschungsförderung dieses Gebietes bedarf, um die im internationalen Vergleich gute Ausgangsposition zu halten und auszubauen“, sagt Prof. Dr. Christian Bauckhage, wissenschaftlicher Direktor des Fraunhofer-Forschungszentrums Maschinelles Lernen. Und was bedeutet das für Absolventen, stellt das Thema doch ein Zusammenspiel der Fächer Physik, Mathematik und Informatik dar? Klar ist, dass die Quantentechnologie die Zukunft entscheidend mitgestalten wird. Und da das Bundesministerium für Bildung und Forschung gezielt daran arbeitet, das Bildungsangebot mit der -nachfrage im Bereich der Quantentechnologie in Deutschland enger aufeinander abzustimmen, verheißt das hohe Bedarfe – vor allem um die Technologie von der Wissenschaft in die Praxis zu überführen.

Studiengänge zur Quantentechnologie:

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