Der Quanten-Computer: Die Zukunft der Computertechnologie

Quantenphysik verwirrt die meisten Menschen. Sie scheint schwer begreifbar und stellt selbst gestandene Physiker teilweise vor Verständnisprobleme. Das Konzept der Superposition – also die Fähigkeit eines Elektrons, sich in zwei verschiedenen Status gleichzeitig zu befinden wie ein Schalter, der gleichzeitig auf “An” und “Aus” steht – ist ähnlich schwer greifbar wie der Gedanke, dass Elektronen durch Quantenkorrelation miteinander verbunden sein können, auch wenn sie weit voneinander entfernt sind. Quantenphysik ist allerdings inzwischen nichts Neues mehr. Die ersten entsprechenden Theorien tauchten vor gut 100 Jahren auf. Und sie kann eine ganze Menge Lösungen für aktuelle Probleme bereitstellen – beispielsweise im Bereich Computertechnologie.

Moore lässt grüßen

Der erste Transistor war so groß, dass er nur knapp in eine Hand passte. Inzwischen sind die Bauteile auf 14 nm geschrumpft und damit etwa 500 Mal kleiner als eine rote Blutzelle. Den meisten Technik-Fans wird das Mooresche Gesetz ein Begriff sein, nach dem sich die Komplexität integrierter Schaltkreise alle 12 bis 14 Monate verdoppelt. Mit dieser Verdoppelung geht auch eine immer fortwährende Verkleinerung der Schaltkreiskomponenten einher, was in mehr Leistung resultiert, da mehr Komponenten eingesetzt werden können. Irgendwann wird das Mooresche Gesetz an seine Grenzen stoßen, weil eine Erweiterung der Komplexität mit exisitierenden technologischen Konzepten nicht mehr möglich ist.

An dieser Stelle erfolgt der Auftritt des Quantencomputers. Unter Ausnutzung der grundlegenden Prinzipien der Quantenphysik ließe sich ein Computer konstruieren, dessen Leistungsfähigkeit nicht durch Schaltkreiskomponente begrenzt ist. Ein Computer, der die Superposition ausnutzen kann, wäre in der Lage, eine nahezu unbegrenzte Anzahl an Rechenoperationen gleichzeitig durchzuführen, und auch die Quantenkorrelation ließe sich im Bereich der Computertechnik nutzen, um miteinander verschränkte Systeme zu erschaffen, deren Korrelation weder an einen bestimmten Ort noch an eine Leitungsverbindung gebunden ist.

Mit einem Quantencomputer wären auch komplexe Problemstellungen wie die Simulation der Reaktion des Körpers oder Wetterphänomen kein Problem mehr.

Der Quantencomputer als Computer der Zukunft

Fortschritte im Bereich der Halbleiter-Produktion haben es inzwischen möglich gemacht, Halbleiter auf Quanten-Basis in Masse zu produzieren. Aber mit den Halbleitern allein ist es nicht getan, sie müssen auch auf sinnvolle Art und Weise zusammenarbeiten. In einem klassischen Computerchip arbeiten eine große Zahl von Transistoren zusammen, und zwar auf eine sehr vorhersehbare Art und Weise. Vorgänge im Bereich der Quantenphysik sind sehr viel schwerer bis gar nicht vorhersagbar und hängen teilweise auf bisher nicht bekannte Art und Weise zusammen. Eine Vielzahl an Quantensystemen so zusammenarbeiten zu lassen, dass der produzierte Output nicht auch genauso gut mit einem herkömmlichen Computer reproduziert werden könnte ist eine große Herausforderung.

Ein Quantencomputer basiert auf sogenannten Qubits – dem Äquivalent zu einem Byte aus der aktuellen Computertechnik. Die Repräsentationsform von Qubits in den bisherigen Projekten zum Quantencomputer könnte unterschiedlicher nicht sein: Von Defekten in Diamanten über Nanostrukturen um Halbleiterbereich bis hin zu Supraleitern war alles dabei, und jede Methode hat ihre Vor- und Nachteile. Keinem der bisherigen Projekte gelang es jedoch, die sogenannten DiVincenzo-Kriterien für einen skalierbaren, fehlertoleranten Quantencomputer zu erfüllen, die auf den deutschen Physiker David ViVincenzo zurückgehen.

Bis zu einem einsetzbaren Quantencomputer ist es also noch ein weiter Weg, und die Forschung bewegt sich hier auf einem Gebiet, das nur schwer kontrollierbar oder vorhersehbar ist. Dennoch besteht wenig Zweifel daran, dass die Quantentechnologie die Basis für die Computer der Zukunft darstellt. Der Durchbruch wird kommen. Die Frage ist nur wann.

Quantentechnologie ist übrigens nicht nur im Bereich Computertechnik einsetzbar. So arbeiten beispielsweise mehrere Firmen an Lösungen für Quanten-Kommunikation, die eine abhörsichere Kommunikation garantiert.

via IFLScience