Quantencomputer – Beginn einer neuen Ära für Computer
Wird das Quantencomputing die Art und Weise, wie wir unsere Computer nutzen, verändern?
Werfen wir einen Blick darauf, was Quantencomputing ist…
Was ist Quanteninformatik?
Quantencomputer sind eine sich rasch entwickelnde Technologie, die sich die Gesetze der Quantenmechanik zunutze macht, um Probleme zu lösen, die für klassische Computer zu komplex sind.
Warum brauchen wir Quantencomputer?
Wenn Wissenschaftler und Ingenieure auf schwierige Probleme stoßen, wenden sie sich an Supercomputer. Dabei handelt es sich um außergewöhnlich große klassische Computer, oft mit Tausenden von klassischen CPU- und GPU-Kernen, die in der Lage sind, außergewöhnlich große Berechnungen und fortgeschrittene künstliche Intelligenz durchzuführen. Doch auch Supercomputer sind binärcodebasierte Maschinen, die auf der Transistortechnologie des 20. Jahrhunderts beruhen. Sie haben Schwierigkeiten, bestimmte Probleme zu lösen.
Wenn ein Supercomputer nicht weiterkommt, liegt das wahrscheinlich daran, dass die große klassische Maschine ein Problem mit hoher Komplexität lösen sollte. Wenn klassische Computer versagen, liegt das oft an der Komplexität.
Komplexe Probleme sind Probleme mit vielen Variablen, die auf komplizierte Weise zusammenwirken. Die Modellierung des Verhaltens einzelner Atome in einem Molekül ist ein komplexes Problem, weil all die verschiedenen Elektronen miteinander interagieren. Auch das Erkennen von subtilen Betrugsmustern bei Finanztransaktionen oder neuer Physik in einem Superkollider sind komplexe Probleme. Es gibt einige komplexe Probleme, von denen wir nicht wissen, wie wir sie mit klassischen Computern in irgendeinem Maßstab lösen können.
Die reale Welt beruht auf der Quantenphysik. Computer, die Berechnungen unter Verwendung der Quantenzustände von Quantenbits durchführen, dürften in vielen Situationen unsere besten Werkzeuge sein, um sie zu verstehen.
Warum Quantencomputer schneller sind
Schauen wir uns ein Beispiel an, das zeigt, wie Quantencomputer dort erfolgreich sein können, wo klassische Computer versagen:
Ein klassischer Computer mag bei schwierigen Aufgaben wie dem Sortieren einer großen Moleküldatenbank großartig sein. Aber er wird sich schwer tun, komplexere Probleme zu lösen, z. B. zu simulieren, wie sich diese Moleküle verhalten.
Wenn Wissenschaftler heute wissen wollen, wie sich ein Molekül verhält, müssen sie es synthetisieren und mit ihm in der realen Welt experimentieren. Wenn sie wissen wollen, wie sich eine geringfügige Änderung auf das Verhalten auswirkt, müssen sie normalerweise die neue Version synthetisieren und das Experiment noch einmal durchführen. Dies ist ein teurer, zeitaufwändiger Prozess, der den Fortschritt in so unterschiedlichen Bereichen wie Medizin und Halbleiterdesign behindert.
Ein klassischer Supercomputer könnte versuchen, das Verhalten von Molekülen mit Gewalt zu simulieren, indem er seine vielen Prozessoren nutzt, um alle möglichen Verhaltensweisen jedes Teils des Moleküls zu untersuchen. Doch sobald er über die einfachsten, unkompliziertesten Moleküle hinausgeht, kommt der Supercomputer ins Stocken. Kein Computer hat den Arbeitsspeicher, um alle möglichen Permutationen des molekularen Verhaltens mit den bekannten Methoden zu verarbeiten.
Quantenalgorithmen verfolgen einen innovativen Ansatz für diese Art komplexer Probleme – sie schaffen mehrdimensionale Berechnungsräume. Dies erweist sich als ein sehr viel effizienterer Weg, um komplexe Probleme wie chemische Simulationen zu lösen.
Mit klassischen Computern können wir diese Berechnungsräume nicht effizient erstellen, was ihre Nützlichkeit ohne Quantenberechnung einschränkt. Industriechemiker erforschen bereits Möglichkeiten, Quantenmethoden in ihre Arbeit zu integrieren. Dies ist nur ein Beispiel. Ingenieurbüros, Finanzinstitute, globale Schifffahrtsunternehmen – um nur einige zu nennen – erforschen Anwendungsfälle, in denen Quantencomputer wichtige Probleme in ihren Bereichen lösen könnten. Am Horizont zeichnet sich eine Explosion der Vorteile der Quantenforschung und -entwicklung ab. In dem Maße, wie Quantenhardware skaliert und Quantenalgorithmen weiterentwickelt werden, dürften viele große, wichtige Probleme wie die Molekularsimulation gelöst werden.
Welche Hindernisse gibt es für die Entwicklung des Quantencomputers?
Ein Haupthindernis für die Weiterentwicklung der Quanteninformatik ist die Flüchtigkeit der Qubits. Während ein Bit in heutigen Computern entweder den Zustand eins oder null annehmen kann, kann ein Qubit jede mögliche Kombination der beiden Zustände annehmen. Wenn ein Qubit seinen Zustand ändert, können Eingaben verloren gehen oder verändert werden, wodurch die Genauigkeit der Ergebnisse beeinträchtigt wird. Ein weiteres Hindernis für die Entwicklung ist, dass ein Quantencomputer, der in der Größenordnung arbeitet, die für einen bedeutenden Durchbruch erforderlich ist, potenziell Millionen von Qubits benötigt, die miteinander verbunden werden müssen. Die wenigen Quantencomputer, die heute existieren, erreichen bei weitem nicht diese Anzahl.
Wie können klassische Computer und Quantencomputer zusammenarbeiten?
Zunächst einmal langsam. Vorerst wird die Quanteninformatik neben der klassischen Informatik eingesetzt, um multivariable Probleme zu lösen. Ein Beispiel? Quantencomputer können die Bandbreite möglicher Lösungen für ein Finanz- oder Logistikproblem einschränken und einem Unternehmen helfen, die beste Lösung etwas schneller zu finden. Diese Art von langsamerem Fortschritt wird die Norm sein, bis die Quanteninformatik so weit fortgeschritten ist, dass sie massive Durchbrüche ermöglicht.
Welche Branchen werden am meisten von der Quanteninformatik profitieren?
Diese vier Branchen haben ein hohes Potenzial, vom Quantencomputing zu profitieren:
Pharmazeutische Industrie. Das Quantencomputing hat das Potenzial, die Forschung und Entwicklung von Molekularstrukturen in der biopharmazeutischen Industrie zu revolutionieren. Mit Hilfe von Quantentechnologien wird die Forschung und Entwicklung von Medikamenten weniger von Versuch und Irrtum abhängig und damit effizienter sein.
Chemie. Die Quanteninformatik könnte zur Verbesserung des Katalysatordesigns eingesetzt werden, was Einsparungen bei bestehenden Produktionsverfahren ermöglichen könnte. Innovative Katalysatoren könnten auch den Ersatz von Petrochemikalien durch nachhaltigere Rohstoffe oder den Abbau von Kohlenstoff zur CO2-Nutzung ermöglichen.
Automobilindustrie. Die Automobilindustrie könnte vom Quantencomputing in den Bereichen Forschung und Entwicklung, Produktdesign, Lieferkettenmanagement, Produktion sowie Mobilitäts- und Verkehrsmanagement profitieren. So könnte das Quantencomputing beispielsweise zur Senkung der Herstellungskosten eingesetzt werden, indem komplexe Multi-Roboter-Prozesse wie Schweißen, Kleben und Lackieren optimiert werden.
Finanzwesen. Der Einsatz von Quantencomputern im Finanzbereich liegt noch etwas weiter in der Zukunft. Das langfristige Versprechen des Quantencomputings im Finanzwesen liegt im Portfolio- und Risikomanagement. Ein Beispiel könnten quantenoptimierte Kreditportfolios sein, die sich auf Sicherheiten konzentrieren und es Kreditgebern ermöglichen, ihre Angebote zu verbessern.
Diese vier Branchen werden am meisten von der Quanteninformatik profitieren. Aber Führungskräfte in jedem Sektor können – und sollten – sich auf die unvermeidlichen Quantenfortschritte der nächsten Jahre vorbereiten.
Hoffen wir also, dass wir das Quantencomputing so früh wie möglich nutzen können.
