Was ist Quantencomputing?
Quantencomputing erklärt: Das Quantencomputing ist eine neue Technologie, die sich auf die Quantenmechanik stützt, um Probleme zu lösen, die mit einem Standardcomputer nicht gelöst werden können.
Das erste Konzept des Quantencomputings stammt aus den frühen 1980er-Jahre und geht auf Forscher wie Paul Benioff, Richard Feynman und Yuri Manin zurück. Beim Quantencomputing wird das Verhalten von Quantenobjekten genutzt (z. B. von Photonen subatomarer Teilchen), um bestimmte Aufgaben schneller, einfacher und mit geringerem Energieaufwand zu lösen, als es mit herkömmlichen Computern oder sogar Supercomputern möglich wäre.
Was ist ein Quantencomputer und inwiefern unterscheidet er sich von den heutigen Computersystemen?
Das Quantencomputing ist eine neue Technologie, die die Eigenschaften des Quantenbereichs auf der atomaren und subatomaren Ebene nutzt, um komplexe Probleme zu lösen. Theoretisch könnten große Quantencomputer bestimmte Aufgaben deutlich schneller lösen als herkömmliche Computer. Beispiele hierfür sind das Entschlüsseln von kryptographischer Verschlüsselung und komplexe Optimierungsprobleme. Derzeit ist diese Technologie jedoch noch längst nicht ausgereift.
Quantencomputer machen sich die Quanteneigenschaften von Elementarteilchen wie Atomen, Elektronen oder Photonen mit Qubits zunutze. Qubits können Zustände annehmen, bei denen sich eine 0 und eine 1 überlagern. Miteinander kombiniert können sie eine große Anzahl von Werten überlagern.
Was ist also ein Quantencomputer und worin liegt der Unterschied zu den heute gebräuchlichen Computersystemen?
Anstelle des Binärsystems von 0 und 1 der klassischen Datenverarbeitung kommen beim Quantencomputing Qubits zum Einsatz. Deren Zustand kann jederzeit durch eine komplexe Zahl dargestellt werden, die Amplitude. Sie beschreibt die Wahrscheinlichkeit, dass der Zustand des Qubits beim Auslesen 0 oder 1 beträgt. Derzeit geht man davon aus, dass insbesondere große Quantencomputer mit mehreren Tausend oder Millionen Qubits komplexe Aufgaben besser lösen können.
Wie funktioniert ein Quantencomputer und was sind die potenziellen Vorteile des Quantencomputings? Und was ist ein Qubit?
Ein Qubit kann jedes quantenmechanische System mit zwei verschiedenen und kontrollierbaren Quantenzuständen sein. Beispiele hierfür sind die Polarisation eines Photons, die Energiestufe eines Atoms oder der Spin eines Elektrons. Qubits können mehr Zustände annehmen als Standard-Bits. Daher ist ein Quantencomputer in der Lage, viel mehr Informationen pro Qubit zu verarbeiten, als es ein klassischer Computer pro Bit vermag. Mit 1.024 Bit können beispielsweise 128 Byte RAM bereitgestellt werden. Zum Speichern der gleichen Datenmenge wären aber nur 10 Qubits erforderlich. Ein Quantencomputer mit 1.000 Qubits könnte 21.000 verschiedene Zahlen verarbeiten.
Wozu eignen sich Quantencomputer?
Was ist mit Quantencomputern also potenziell möglich? Quantencomputer werden herkömmliche Computer oder Supercomputer wohl nicht ersetzen. Einige Arten von Aufgaben mit hohen Rechenanforderungen können sie unter Umständen besser bearbeiten, sie unterscheiden sich in Aussehen und Funktionsweise jedoch stark von unseren aktuellen Geräten. Für viele Vorgänge bleiben die herkömmlichen Computer die beste Lösung. Vorteile bieten Quantencomputer möglicherweise für Aufgaben wie:
Kryptographie
Der von Peter Shor 1994 entwickelte und nach ihm benannte Algorithmus ist ein Quantenalgorithmus zur Bestimmung der Primfaktoren eines Integers, also einer ganzen Zahl. Eine solche Aufgabe können die üblichen Computer heute in keinem praktikablen Zeitrahmen für große Integer lösen. Publik-Key-Verschlüsselungssysteme machen sich dies zunutze und erstellen öffentliche Schlüssel für die Datenverschlüsselung von E-Mails, Online-Finanztransaktionen und andere sichere Kommunikationsarten wie VPNs und SSH. Der Public Key ist ein Produkt zweier sehr großer Primzahlen, die nur dem ausgewählten Empfänger bekannt sind. Theoretisch könnte niemand diese Primzahlen errechnen und die Daten entschlüsseln.
Der Algorithmus von Shor zeigt, dass Quantencomputer mit der entsprechenden Leistung die heutigen asymmetrischen Kryptosysteme mit ihren öffentlichen Schlüsseln jedoch durchaus entschlüsseln können. Deshalb wird nun verstärkt nach Möglichkeiten geforscht, Daten durch Quantenkryptographie besser zu schützen.
Optimierungsprobleme
Was kann ein Quantencomputer noch, außer kryptografische Systeme zu entschlüsseln? Mit der entsprechenden Leistung können Quantencomputer bei der Suche nach optimalen Lösungen für bestimmte Probleme mit vielen möglichen Ergebnissen helfen. Mit ihnen lassen sich beispielsweise Modelle der wahrscheinlichsten Pfade für subatomare Partikel in der Hochenergiephysik erstellen. Quantencomputer könnten auch das „Problem des Handlungsreisenden“ (Traveling Salesperson Problem, TSP) lösen. Hier wird der kürzeste Weg gesucht, um mehrere Zielpunkte anzulaufen. Damit könnten große Fortschritte in der Big-Data-Technologie erzielt werden.
Machine Learning
Mit ihren Optimierungsmöglichkeiten könnten Quantencomputer das Erstellen besserer Modelle für Machine Learning und Deep Learning mit einer geringeren Fehlerquote ermöglichen.
Weitere Anwendungen
Es gibt viele potenzielle Anwendungsbeispiele für Quantencomputer, darunter auch die Entwicklung neuer Arzneimittel oder die Optimierung von Prozessen im Finanzsektor. Das Schlüsselwort ist hier: potenziell. Quantencomputer sind den klassischen Computern bei manchen Anwendungen offensichtlich überlegen, die Herausforderung besteht aber darin, einen skalierbaren Quantencomputer zu bauen. Nach heutigem Stand sind Quantencomputer für die Aufgaben, die herkömmliche Computer bereits lösen können, noch nicht praktisch einsetzbar – ganz zu schweigen von Anwendungen, die die heutigen Geräte nicht bewältigen können.
Wie ist der Stand der Technik beim Quantencomputing?
Auf dem Gebiet des Quantencomputings schien es 2019 einen großen Fortschritt zu geben, als ein geleakter Forschungsbericht andeutete, dass der Quantencomputer „Sycamore“ von Google die Quantenüberlegenheit erreicht hatte. Mit diesem Begriff wird ausgedrückt, dass Quantencomputer eine Aufgabe schnell lösen können, für die herkömmliche Computer eine unpraktikabel lange Zeit bräuchten.
Im November 2021 wurde ein Gerät mit einem 127-Qubit-Prozessor angekündigt, das erste mit über 100 Qubit.
Welche Herausforderungen gibt es bei der Entwicklung von Quantencomputern?
Die größten Hindernisse werden als Rauschen und Dekohärenz bezeichnet. Wenn ein Quantenpartikel nicht von der Umgebung isoliert ist, kann jede unerwünschte Interaktion, selbst eine Messung, dazu führen, dass es zu einem simplen Bit mit einem einfachen Wert von 0 oder 1 wird. Rauschen und Dekohärenz sind folgenschwer: Qubits haben eine sehr geringe Lebensdauer, bei supraleitenden Qubits sind es derzeit etwa 100 µs. Innerhalb dieser Zeit können nur wenige Quantengatter ausgeführt werden.
Qubit-Rauschen und Dekohärenz machen die Verwendung von Quantenfehlerkorrekturcodes (Quantum Error Correction Codes, QECC) notwendig. Sie fassen mehrere physische Qubits zu logischen Qubits zusammen, die eine viel niedrigere Fehlerrate und längere Lebensdauer aufweisen. QECC-Konzepte wurden bereits in kleinen Labors erprobt, ihre praktische Implementierung bleibt jedoch eine Herausforderung. Zum einen ist es kompliziert, die Anzahl der Qubits jeglichen Typs zu skalieren. Es kann bis zu tausend physische Qubits erfordern, um einen einzelnen logischen Qubit zu erstellen. Für einen nützlichen universellen Quantencomputer sind wiederum mindestens 100 logische Qubits erforderlich. Also handelt es sich um ein System mit 100.000 physischen Qubits – und derzeit liegen wir bei ungefähr 100.
Quantencomputing: der Hype und die Realität
Auf Quantenebene zeigen Objekte ein ungewohntes Verhalten: Quantenobjekte verhalten sich wie Wellen und wie Partikel gleichzeitig. Wenn man ein Quantenobjekt misst, verliert es dabei seine Wellenfunktion. Dem Beobachter zeigt es sich dann als Partikel. Quantenobjekte können auch mehrere Zustände gleichzeitig annehmen: Es kommt zur sogenannten Überlagerung. Außerdem können sie sich mit anderen Quantenobjekten verschränken.
Was ist die Quantenverschränkung? Dieser Begriff drückt aus, dass das Messen eines Objekts auch eine Wirkung auf das damit verschränkte Objekt hat, selbst wenn beide weit voneinander entfernt sind. Die Zustände verschränkter Quantenobjekte stehen in Wechselbeziehung, sind aber zufällig.
Es ist schwierig, diese Verhaltensweisen zu verstehen und zu erklären. Daher werden sie oft stark vereinfacht dargestellt. Die Aussage, ein Qubit sei „gleichzeitig 0 und 1“, ist beispielsweise nicht ganz richtig. Quantencomputer sind wahrscheinlich nicht immer besser und schneller als die bekannten Computer. Für einige Aufgaben sind die herkömmlichen Computer nach wie vor die bessere Option. Quantencomputer können in manchen Situationen zwar Vorteile bieten, z. B. beim Entschlüsseln von Verschlüsselungen, wir sind aber weit davon entfernt, entsprechende Geräte bauen zu können.
Die heutigen Quantencomputer stellen bereits einen bedeutenden Fortschritt im Vergleich zu früheren Geräten dar. Nun müssen sie ihre Fähigkeit unter Beweis stellen, praktische Aufgaben zu lösen.
Wie sieht die Zukunft des Quantencomputings aus? Viele Forscher und Branchenanbieter arbeiten an den nächsten Etappen. Die nächste Generation von Fachleuten und Programmierern für Quantencomputing soll nun ausgebildet werden. Die technischen Fortschritte auf dem Gebiet des Quantencomputings werden wahrscheinlich Innovationen in weiteren Bereichen vorantreiben, darunter Cloud Storage und Data Mining.
OVHcloud und das Quantencomputing
Als Europas führender Cloud-Anbieter ist OVHcloud überzeugt, dass das Quantencomputing der nächste technologische Wendepunkt ist.
„Im 20. Jahrhundert ging es um die atomare Ebene. Im 21. Jahrhundert wenden wir uns dem Quantenreich zu.“
Octave Klaba, Gründer und Vorstandsvorsitzender, OVHcloud
Die Investitionen von OVHcloud in das Quantencomputing machen sich auf verschiedene Arten bemerkbar:
- OVHcloud bietet die umfassendste europäische Quantenemulatorlösung auf dem Markt – und sie wächst weiter. Bislang sind 5 Emulatoren verfügbar: Felice von Alice & Bob, Callisto von C12, Pulser von Pasqal, Perceval von Quandela und MyQLM von Eviden. Bis Sommer 2024 werden diese Plattformen über 1.000 User verzeichnen. Mit diesem einzigartigen Angebot an Quantennotebooks möchte OVHcloud alle Quantentechnologien mit einem agnostischen Ansatz weltweit verfügbar machen.
- OVHcloud treibt die Entwicklung eines europäischen Quantenökosystems voran. Deshalb nutzen wir unser Startup Program und unterstützen bereits 16 Start-ups aus dem Bereich (Hardware und Software) bei ihrem Wachstum. Dies geschieht vor allem durch die Implementierung der neuesten Emulatoren oder durch die Ermöglichung des Zugriffs auf die Quantencomputer dieser Start-ups über die OVHcloud Infrastruktur. Wir investieren auch im Rahmen verschiedener Veranstaltungen (France Quantum, Le Lab Quantum, Hackathons und Konferenzen) in die Entwicklung des Quantenökosystems.
- Darüber hinaus erwarb OVHcloud im März 2023 den MosaiQ-Computer, einen photonischen Quantencomputer von der französischen Firma Quandela. Durch diesen Kauf können wir unsere F&E-Anstrengungen in Bereichen wie Sicherheit beschleunigen, in denen Quantencomputing neue Einblicke in Produkte und Lösungen ermöglicht. Außerdem sollen neue Konzepte intern erprobt und die Grundlagen für künftige europäische Technologien geschaffen werden, die von den Akteuren der Industrie genutzt werden können.
- OVHcloud ist sowohl im akademischen Bereich als auch in der Forschung engagiert. So bietet OVHcloud Studierenden von Hochschulen wie QuanTEdu-France oder Telecom Paris beispielsweise 80 Stunden Zugang zu unseren verschiedenen Emulatoren. Darüber hinaus können ausgewählte Studierende die Quandela-QPU (Quantenprozessor) von OVHcloud über die Cloud nutzen, sobald ihre Bewerbungen geprüft wurden.
OVHcloud investiert durch die Förderung des Wachstums des französischen und europäischen Quantenökosystems weiter in die Zukunft und Innovation.