Quantencomputer

Nutzen Quantencomputer könnten in Windeseile berechnen, wofür herkömmliche Rechner länger bräuchten, als das Universum alt ist. Doch bis Ihr Lieblings-Discounter den ersten Quantencomputer im Programm hat, gilt es noch, ein paar technische Hürden zu meistern.

Quantenbit Ob nun Windows, MacOS oder Linux: In allen herkömmlichen Computern sind Informationen in derselben Weise gespeichert – als Bits, die zwei unterschiedliche Zustände annehmen können: die Null oder die Eins. Auch Quanten können in unterschiedlichen Zuständen stecken. Im einfachsten aller Fälle gibt es auch hier nur zwei unterschiedliche Einstellungen: Nennen wir sie „1“ oder „0“. Einen solchen Zustand bezeichnen Physiker als „Quantenbit“ oder „Qubit“ [kju:bit]. Im Quantenbit steckt aber weit mehr drin als im herkömmlichen Fall. Ihm stehen nicht nur die beiden Möglichkeiten „1“ und „0“ zur Auswahl, es kann sich zudem in einer von unendlich vielen Mischungen aus den beiden Zuständen befinden: ein wenig „1“ und ein wenig „0“. Die genaue Mischung bestimmt dann, mit welcher Wahrscheinlichkeit bei einer Messung das entsprechende Ergebnis herauskommen würde.

Quantenparallelität In dieser Überlagerung von Quantenzuständen liegt die Mächtigkeit der Quantencomputer. Denn ein Quantencomputer muss jetzt nicht nacheinander mit „1“ oder „0“ gefüttert werden, um den Wert für die Eingaben „1“ oder „0“ zu berechnen. Man kann ihm beide Werte gleichzeitig vorsetzen („1“ und „0“). Er würde beide Werte dann gleichzeitig bearbeiten. Die Rechenzeit würde sich halbieren. Der Vorteil der Quantencomputer wird noch größer, wenn mehrere Quantenbits am Werk sind. Zwei herkömmliche Bits können beispielsweise in vier Zuständen stecken: „00“, „01“, „10“ und „11“. Mit zwei Quantenbits lässt sich daher in einem Rutsch berechnen, wofür im herkömmlichen Fall die vierfache Zahl an Rechenschritten notwendig wäre. Mit drei Quantenbits könnte man schon acht Werte simultan darstellen und mit 250 Quantenbits bereits mehr Zahlen, als es Atome im Universum gibt.

Haken 1 Die Sache hat Haken. Zwar wird die Quanten-Berechnung auf allen möglichen Quantenbits gleichzeitig ausgeführt, am Ende liegt das Ergebnis aber auch nur in einer Mischung dieser Ergebnisse vor. Es muss dann eine Messung des Quantenzustandes vorgenommen werden, bei dem eines der Ergebnisse ausgewählt wird. Der Rest verschwindet. Diesen Sachverhalt muss man bei der Entwicklung von Algorithmen für Quantencomputer berücksichtigen.

Haken 2 Und es gibt noch einen zweiten Haken: Quantencomputer sind extrem empfindlich. Die Mischung der Zustände bleibt nur bestehen, so lange der Quantencomputer nicht mit seiner Umgebung wechselwirkt. Es gibt Kritiker, die befürchten, dass es niemals gelingen wird, ausreichend große Quantencomputer zu bauen, mit denen wirklich praktische Probleme gelöst werden können. Aber es gab auch Menschen, die glaubten, dass Maschinen, die schwerer sind als Luft, sich niemals in die Lüfte erheben werden.

Beispiele Beispiele für Quantencomputeralgorithmen gibt es für das Durchsuchen von Datenbanken und die Zerlegung von Primzahlen:

• Beispiel 1: Durchsuchen von Telefonbüchern Die Aufgabe sei, ein Telefonbuch mit 2 Millionen Einträgen zu durchsuchen. Ein herkömmlicher Computer braucht dazu im Mittel 1 Million Rechenschritte. Ein Quantencomputer benötigt mit Hilfe des so genannten Grover-Algorithmus nur 1.400 Rechenschritte.
• Beispiel 2: Primzahlfaktorzerlegung Zahlen miteinander zu multiplizieren, lernt man in der Grundschule. Auch Computer sind hier flink. Schwieriger ist der Weg zurück, wenn man herausfinden will, welche nicht weiter teilbaren Zahlen (Primzahlen) multipliziert werden müssen, damit man eine gegebene Zahl erhält (Frage: Welche Primzahlen ergeben 15? Antwort: 3 mal 5). Was nach einfachem Multiplizieren klingt, zählt zu den schwierigsten Rechenproblemen, auf dem wichtige Sicherheitsprinzipien moderner Verschlüsselungssysteme beruhen: Die Zerlegung einer Zahl mit 400 Stellen würde mit den besten im Jahr 2002 bekannten Hochleistungsrechner etwa 10¹⁰ Jahre benötigen. Ein Quantencomputer mit einem Programm von Peter Shor (1994) würde die Aufgabe in 3 Jahren erledigen. Erste Anfänge sind gemacht. So wurde 2001 bei IBM die Zahl 15 in ihre Primzahlfaktoren zerlegt.