Funktionsweise von Quantencomputern

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March 25, 2021

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#Blogartikel #Blogreihe Quantumcomputing und Digitales Marketing #Quantumcomputing #Technologie

Die genaue Funktionsweise von Quantencomputern erscheint vielen Menschen unglaublich, geradezu magisch. Das liegt daran, dass die Gesetze der Quantenmechanik unseren alltäglichen Erfahrungen widersprechen. Trotzdem kann jeder zumindest die Grundzüge hinter der Technik des Quantencomputings verstehen.

Von Bits zu Qubit

Wer die Funktionsweise eines Quantencomputers verstehen will, muss zuerst einmal mit der eines normalen Rechners anfangen. Jede noch so komplexe Berechnung, die ein Computer durchführt, beruht auf sogenanntem Binärcode. Im Prozessor gibt es eine Vielzahl an Bits, die entweder ein- oder ausgeschaltet sind. Sie können also zwei Zustände annehmen und diese beliebig wechseln. Auf diese Art können sie Zahlen und damit alle Arten von Daten kodieren und verarbeiten.

Die rasante Entwicklung des letzten Jahrhunderts verdanken wir der Tatsache, dass einzelne Bits immer kleiner und schneller wurden. Dadurch können moderne Prozessoren in der gleichen Zeit Rechenoperationen durchführen. Sie sind also im wahrsten Sinne des Wortes 'schneller'.

Quantencomputer arbeiten allerdings nicht mit herkömmlichen, sondern mit sogenannten Quantenbits, kurz Qubits. Damit in ihnen die Gesetze der Quantenmechanik zum Wirken kommen, müssen Qubits sehr klein sein. Einige Forschungsteams arbeiten mit einzelnen Ionen als Qubits. Andere, wie etwa Google oder IBM entwerfen Quantencomputer auf Basis von Supraleitern. In diesen herrschen bei niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt ebenfalls die richtigen Voraussetzungen für quantenmechanische Vorgänge.

Qubits können nicht nur zwei Zustände haben. Sie befinden sich jederzeit gleichzeitig in allen möglichen Zuständen – jedenfalls so lange, wie niemand sie beobachtet. Misst man ihren Wert, kann dieser nur 0 oder 1 betragen. Durch die vorher durchgeführten Berechnungen ergeben sich aber unterschiedliche Wahrscheinlichkeiten diesbezüglich. Diese Einschränkung macht deutlich, warum die Entwicklung von Quantencomputern so kompliziert ist: Schließlich ist es die Hauptaufgabe jedes Programms, am Ende ein genaues Ergebnis zu präsentieren.

Quantenverschränkung und Quantenparallelismus

Quantencomputer haben gegenüber herkömmlichen Rechnern zwei weitere Vorteile, die sie so unglaublich leistungsstark machen. Qubits arbeiten nämlich nicht nur als Einzelkämpfer, sondern auch im Team. Durch die sogenannte Quantenverschränkung beeinflussen sie sich gegenseitig. Mehrere Qubits werden dadurch mehr als die Summe ihrer selbst, können also mehr Informationen enthalten als jeweils einzelne Qubits.

Die zweite wichtige Eigenschaft von Quantencomputern ist der sogenannte Quantenparallelismus. Da Qubits ja nicht nur 0 oder 1, sondern auch alle Zustände dazwischen sein können, können sie auch mehr als eine Information gleichzeitig speichern. Im Gegensatz zu einer Reihe aus Bits kann eine Reihe von Qubits eine unglaubliche Vielzahl an Daten enthalten und diese auch gleichzeitig verarbeiten. Das macht die Rechner auf Quantenbasis so unglaublich effizient, wenn es um die Auswertung großer Datensätze geht.