Quantencomputing

Im Gegensatz zum herkömmlichen Rechnen mit Computern mittels Binärsystem, bei dem Nullen und Einsen zur Informationsspeicherung und Verarbeitung verwendet werden, basiert das Quantencomputing auf den Prinzipien der Quantenphysik. Um diese Prinzipien nutzen zu können, müssen kleinste Teilchen wie Elektronen, Atome und Lichtquanten in geeigneten Apparaturen manipuliert werden. Diese sogenannten Quanten-Bits (kurz Qubits) erlauben dann das Rechnen mit quantenphysikalischen Zuständen, die gleichzeitig eins und null sind. Anstatt klassische Prozessoren mit Milliarden von Transistoren zu verwenden, werden verschiedene neuartige Hardwareansätze für die sogenannten Quantenprozessoren verfolgt. Am erfolgreichsten sind zurzeit Ausführungen in Form von supraleitenden Schaltkreisen.

Durch die exponentiell erhöhte Informationsmenge, die pro Qubit verarbeitet werden kann, ergeben sich für Quantencomputer Anwendungsfälle, die auch mit Hochleistungsrechnern nicht mit einem vertretbaren Aufwand umsetzbar waren. In der Folge wird für die Wirtschaft ein hohes Wertschöpfungspotential prognostiziert, etwa bei der Simulation chemischer Prozesse in der Pharmaindustrie. Auch gesellschaftlich verspricht die Technologie beispielsweise mit genaueren Klimamodellen eine große Wirkung.

Zahlen und Fakten

  • 2020 haben private Geldgeber 650 Mio. USD in Start-ups investiert.
  • Rund 60 Prozent der Quantencomputing-Akteure aus Wissenschaft und Wirtschaft arbeiten auf der System- Software- und Algorithmen-Ebene.
  • Seit Juni 2021 betreiben die Fraunhofer-Gesellschaft und IBM den ersten Quantencomputer in Deutschland, mit dem konkrete Anwendungsfälle und Quantenalgorithmen unter deutschem und europäischem Datenschutzrecht gestaltet werden können.

Quellen:

Herausforderungen

Noch müssen beim Quantencomputing einige technische Hürden gemeistert werden. Dies sind unter anderen die Abschirmung der Qubits gegenüber äußeren Einflüsse wie elektromagnetischen Feldern, die den Quantenzustand stören, sowie die für praktische Anwendungen noch zu geringe Anzahl von Qubits in heutigen Quantencomputer. Auch die Programmierung ist wegen der besonderen quantenphysikalischen Eigenschaften der Qubits anders und derzeit noch schwieriger als bei herkömmlichen Rechnern. Es muss ein passender Quantenalgorithmus gewählt, abgeändert oder gänzlich neu geschrieben werden, und die durch den Algorithmus zu verarbeitenden Daten müssen geeignet auf die Qubits abgebildet werden.

Software Stack: Anwendungssoftware für das Quantencomputing

  • Quanten-Programmiersprachen: eingesetzt werden bekannte Programmiersprachen wie Python, aber auch für das Quantencomputing optimierte Programmiersprachen wie Q#
  • Quanten-Programmierbibliotheken: stellen schon viele grundlegende Quantenalgorithmen bereit
  • Quanten-Assemblersprachen: erlauben das Programmieren von Quantengattern, d.h. von elementaren Operationen auf den Qubits
  • Quanten-Compiler: übersetzen Quantengatter in Befehle, die ein Quantencomputer ausführen kann

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