Was Bits für klas­si­sche Computer sind, sind Qubits für die Quan­ten­com­pu­ter. Im Gegensatz zu binären Bits können sich Qubits bis zum Zeitpunkt einer Da­ten­mes­sung im Zustand 1 und 0 gleich­zei­tig befinden. Diese ele­men­ta­re quan­ten­me­cha­ni­sche Ei­gen­schaft soll Com­pu­ter­tech­no­lo­gien re­vo­lu­tio­nie­ren und Quan­ten­com­pu­ter mit mil­lio­nen­fach höherer Leistung gegenüber her­kömm­li­chen PCs er­mög­li­chen.

Was sind Qubits?

Die Zukunft des Computing schreibt sich: Qubits. Hinter diesem kryp­ti­schen Wort verbirgt sich die grund­le­gen­de, kleinst­mög­li­che Re­chen­ein­heit des Quantum Computing, das „Quan­ten­bit“. Dieses un­ter­schei­det sich deutlich vom allseits bekannten Bit unserer ge­gen­wär­ti­gen Computer. Qubits werden als Zwei­zu­stands-Quan­ten­sys­tem definiert, d. h. sie können zwei Zustände gleich­zei­tig annehmen. Sie bilden die ele­men­ta­re Grundlage für Quan­ten­com­pu­ter.

Um nach­zu­voll­zie­hen, wie Qubits funk­tio­nie­ren, gilt es zunächst, drei we­sent­li­che Prin­zi­pi­en der Quan­ten­me­cha­nik zu verstehen:

  • Su­per­po­si­ti­on be­zeich­net Quan­ten­sys­te­me, die zu gleicher Zeit zwei Zustände annehmen können. Dies lässt sich am Beispiel des binären Systems leicht ver­an­schau­li­chen: Statt 1 oder 0 können Quan­ten­sys­te­me bis zum Moment der Da­ten­mes­sung 1 und 0 sowie viele weitere Zwi­schen­zu­stän­de zugleich einnehmen.
  • Quan­ten­ver­schrän­kung be­zeich­net ein Phänomen der Quan­ten­me­cha­nik, das Albert Einstein als „spukhafte Fern­wir­kung“ beschrieb. Hierbei handelt es sich um zwei oder mehr Teilchen, die mit­ein­an­der ver­schränkt sind und statt de­fi­nier­ter Ein­zel­zu­stän­de ein ver­bun­de­nes Ge­samt­sys­tem erzeugen. Erfolgen Än­de­run­gen an einem Teilchen, wirken sich diese auf die ver­bun­de­nen Teilchen des Systems aus.
  • Quan­ten­kol­laps ist der Moment, wenn Systeme, die sich in einer un­de­fi­nier­ten Su­per­po­si­ti­on befanden, durch Messung oder Be­ob­ach­tung „kol­la­bie­ren“. Sie gehen somit in einen de­fi­nier­ten Zustand wie 1 oder 0 über.

Alle drei Prin­zi­pi­en finden sich in Qubits und somit im Quantum Computing wieder. Sie sind auch der Grund, warum Re­gie­run­gen und Un­ter­neh­men wie IBM, Google und Microsoft große Hoff­nun­gen auf Quan­ten­com­pu­ter setzen. Obwohl pra­xis­taug­li­che Quan­ten­com­pu­ter noch in weiter Ferne liegen, sollen Qubits für die Leis­tungs­fä­hig­keit und unser Ver­ständ­nis von Computern ungeahnte Mög­lich­kei­ten eröffnen.

Qubits und Bits: Was ist der Un­ter­schied?

Das Bit hat mit dem Quan­ten­bit eins gemeinsam: Beide sind die kleinste Rechen- und Spei­cher­ein­heit ihres je­wei­li­gen Com­pu­ter­sys­tems. Hier enden jedoch bereits die Ge­mein­sam­kei­ten, denn im Gegensatz zur binären Maß­ein­heit unserer klas­si­schen Computer handelt es sich beim Quan­ten­bit um eine quan­ten­me­cha­ni­sche Maß­ein­heit. Was genau bedeutet das aber?

Zunächst gilt es, die Funk­ti­ons­wei­se des Bits zu verstehen. Spä­tes­tens seit die „Matrix“-Filmreihe komplexe Themen wie künst­li­che In­tel­li­gen­zen und Com­pu­ter­si­mu­la­tio­nen einem Mil­lio­nen­pu­bli­kum nä­her­brach­te, sind vielen auch die binären Einsen und Nullen vertraut. Ein Bit basiert auf diesem Binärcode und stellt die kleinste Da­ten­ein­heit digitaler Tech­no­lo­gien dar. Bits können entweder den Zustand 1 wie „Wahr/An“ oder 0 wie „Aus/Falsch“ annehmen.

Quan­ten­bits basieren jedoch nicht auf Binärcode, müssen sich also nicht „ent­schei­den“. Im Sinne des quan­ten­me­cha­ni­schen Konzepts der Su­per­po­si­ti­on befindet sich ein Qubit somit gleich­zei­tig im Zustand 1 und 0. Darüber hinaus kann es zahl­rei­che Zwi­schen­zu­stän­de wie „Ein Drittel von 0“ oder „Zwei Drittel von 1“ annehmen. Erst im Moment der Messung nehmen Qubits durch den Quan­ten­kol­laps einen de­fi­nier­ten binären Zustand an.

Wie viel mehr Re­chen­leis­tung bieten Qubits?

Die quan­ten­me­cha­ni­schen Ei­gen­schaf­ten von Qubits ver­viel­fa­chen die Re­chen­leis­tung von Quan­ten­com­pu­tern gegenüber her­kömm­li­chen Computern enorm. Selbst mit 2 hoch 500 Bits lässt sich nicht dieselbe Da­ten­men­ge ver­ar­bei­ten, die 500 Qubits mühelos be­wäl­ti­gen. 31 Qubits wiederum ent­spre­chen bereits einer Spei­cher­grö­ße von 32 GB. Mit jedem weiteren Qubit ver­dop­peln sich die Spei­cher­grö­ßen.

Ein weiteres Beispiel: Ein Computer, der nur mit Bits rechnet, bräuchte für die Be­rech­nung der Prim­fak­to­ren einer 2.050-Bit-Zahl einige Millionen Jahre. Quan­ten­com­pu­ter erledigen Aufgaben dieser Art in wenigen Minuten, indem sie die Aufgaben nicht nach­ein­an­der, sondern gleich­zei­tig lösen. Diese of­fen­sicht­li­chen Vorteile werden sich vor­aus­sicht­lich für die Ver­ar­bei­tung und Analyse großer, komplexer Da­ten­men­gen re­vo­lu­tio­när auswirken.

Wie werden Qubits erzeugt?

Um Qubits in Quan­ten­com­pu­tern nutzbar zu machen, müssen sie erzeugt werden. Während für die Ver­ar­bei­tung klas­si­scher Bits in der Regel Si­li­zi­um­chips zum Einsatz kommen, erfordern Quan­ten­com­pu­ter neue Tech­no­lo­gien. Hierzu kommen ver­schie­de­ne Methoden in Frage. So werden bei­spiels­wei­se Ionen in ma­gne­ti­schen, elek­tri­schen Feldern „ein­ge­fan­gen“ oder Photonen, Qua­si­par­ti­kel sowie künst­li­che und echte Atome genutzt. Bei den so­ge­nann­ten Ionen-Fallen erfolgt die Messung der Qubits zudem per Mi­kro­wel­len­strah­lung. Google nutzt Quan­ten­chips, in denen im Kreis fließende Ströme jeweils ein Qubit re­prä­sen­tie­ren. Auch hier erfolgt die Messung der Qubits per Mi­kro­wel­len­strah­lung.

Der Einsatz von Qubits in Quan­ten­com­pu­tern bietet nicht nur deutlich mehr Leis­tungs­fä­hig­keit. Auch neue Hardware, Software und neue Pro­gram­mier­an­sät­ze sind notwendig, um die aus­ge­le­se­nen und in Quan­ten­git­tern ge­spei­cher­ten Qubits zu ver­ar­bei­ten. Da es sich um sehr flüchtige, volatile Quan­ten­sys­te­me handelt, erfordert es Computer, um Quan­ten­bits zu­ver­läs­sig und in Mil­lio­nen­zah­len zu verbinden.

Ein weiterer we­sent­li­cher Aspekt der aktuellen Quan­ten­com­pu­ter-Tech­no­lo­gie ist die richtige Kühlung. Mit der Erzeugung von leis­tungs­star­ken Qubits entsteht nämlich wie bei allen Com­pu­ter­sys­te­men Wärme. Für optimale und sichere Leis­tungs­fä­hig­keit müssen Quan­ten­com­pu­ter daher dicht an den absoluten Tem­pe­ra­tur-Nullpunkt (-273,15 Grad Celsius) her­un­ter­ge­kühlt werden.

Mögliche An­wen­dungs­be­rei­che von Qubits

Bis prak­ti­sche Quan­ten­com­pu­ter im Alltag zum Einsatz kommen, werden noch Jahre vergehen. Hierzu erfordert es neue Tech­no­lo­gien und ein Umdenken hin­sicht­lich der Art, wie Computer funk­tio­nie­ren. Wenn es so weit ist, werden Qubits zahl­rei­che Vorteile für ver­schie­de­ne Ein­satz­zwe­cke bieten. Dazu zählen:

  • E-Commerce
  • Kryp­to­gra­fie
  • Me­di­zi­ni­sche Forschung
  • Ver­ar­bei­tung, Spei­che­rung und Aus­wer­tung von Big Data und Dark Data
  • Künst­li­che In­tel­li­genz
  • Machine Learning
  • Ef­fi­zi­en­tes, leis­tungs­stär­ke­res Data-Mining
  • Quan­ten­si­mu­la­tio­nen
  • Er­stel­lung komplexer Fi­nanz­mo­del­le
  • Smarte Tech­no­lo­gien
  • Autonomes Fahren
  • Luft- und Raum­fahrt­for­schung

Die Zukunft der Qubits: Tech­ni­sche Hürden und Chancen

Glaubt man in­ter­na­tio­na­len Groß­un­ter­neh­men wie IBM, Google und Microsoft, ist die Ankunft der ersten pra­xis­taug­li­chen Quan­ten­com­pu­ter nur eine Frage der Zeit. In­ves­ti­tio­nen in Mil­lio­nen­hö­he und de­di­zier­te Un­ter­neh­men wie Google AI oder D-Wave sind der Beweis, dass Quantum Computing die Zukunft ist. Zu den aktuell leis­tungs­stärks­ten Quan­ten­com­pu­tern zählt IBMs „Eagle“ mit 127 Qubits.

Google AI wiederum gab am 23. Oktober 2019 bekannt, dass Googles Sycamore-Chip erstmals Aufgaben löste, an denen die besten Su­per­com­pu­ter schei­ter­ten. Ein Mei­len­stein, der als „Quantum Supremacy“ be­zeich­net wird. Bis sich die voll­stän­di­ge Über­le­gen­heit der Quan­ten­com­pu­ter bemerkbar macht, wird es jedoch neue Tech­no­lo­gien, Software und Pro­gram­mier­spra­chen erfordern.

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