Die kommende Quantencomputer-Revolution

Stellen Sie sich einen Computer vor, der fast so schnell arbeitet wie der menschliche Körper und alle seine Daten wie der Mensch auf DNA-Strängen speichert. Dies ist keine Science-Fiction – es ist sehr viel Science-Fact – da Wissenschaftler kürzlich gezeigt haben, wie man Daten in der DNA speichert. Allein in den letzten zwei Jahren haben Quantencomputer-Verarbeitungschips große Fortschritte in der technologischen Welt gemacht, mit größeren und besseren Prozessoren gebaut und im experimentellen Einsatz.

Die Quantenmechanik liefert die zugrunde liegenden Gesetze und die Grundlage für den Bau von Quantencomputern. Dies ist das Gebiet der Wissenschaft, das beschreibt, wie sich subatomare Teilchen verhalten und interagieren, und es umfasst Gesetze, Theorien und Prinzipien aus der Quantenphysik, die beschreiben, wie diese verblüffenden Wechselwirkungen im Bereich der rechnen.

Diese Theorien und Gesetze umfassen Energiequantisierung, Energiepakete, die als Quanten definiert sind; die gleichzeitige Existenz von Teilchen sowohl als Welle als auch als Teilchen, bekannt als Welle-Teilchen-Dualität; Heisenbergs Unschärferelation, die besagt, dass die Messung das subatomare Teilchen in einen seiner beiden Potentialzustände kollabiert; und das Korrespondenzprinzip, das vom Physiker Niels Bohr entwickelt wurde, der postulierte, dass jede neue Theorie auch auf konventionelle Phänomene auch in der alten Physik, beschreiben nicht nur das Verhalten von Teilchen und Wellen auf atomarer Ebene in neuer Theorien.

Beim Standard-Computing arbeiten Computer durch die digitale Verarbeitung von Informationsbits in einem von zwei Werten: Null und Eins, die entweder einen Ein- oder einen Aus-Zustand darstellen. Während die Computergeschwindigkeiten seit den Anfängen der PCs in den späten 80er und frühen 90er Jahren exponentiell zugenommen haben, sind diese und sogar Supercomputer, die vom Militär, Forschungslabors und Hochschulen verwendet werden, haben immer noch Grenzen in der Geschwindigkeit, mit der sie komplexe mathematische Aufgaben lösen Gleichungen. Manche Gleichungen brauchen Jahre, bis selbst Supercomputer arbeiten, weil einige der mathematischen Gleichungen so lang sind.

Nicht so bei einem Quantencomputer, der auf der Idee von Quantenbits, den sogenannten Qubits, basiert, da diese Daten gleichzeitig in mehreren 0- und 1-Zuständen vorliegen können. Je mehr Qubits ein Quantencomputer hat, desto mehr potenzielle Zustände lässt er zu – und desto schneller können Datenberechnungen erfolgen. Aufgrund der Quantenverschränkung, die Einstein als "spukhafte Fernwirkung" bezeichnete, können Qubits mit großen Abständen zwischen ihnen operieren, ohne dass Drähte benötigt werden. Und aus diesem Grund passiert das, was mit einem Teilchen passiert, gleichzeitig mit dem anderen.

Quantencomputer arbeiten so schnell, dass sie fast jede heute verwendete Verschlüsselungsmethode knacken können, einschließlich Banktransaktionen und andere Methoden der Cybersicherheit. In den Händen von Menschen mit böswilligen Absichten würde ein Quantencomputer viel Schaden anrichten und könnte die Welt in die Knie zwingen.

Aber in den Händen von Menschen mit den richtigen Absichten werden Quantencomputer die Fähigkeiten der künstlichen Intelligenz verbessern, wie sie es bisher noch nicht gab. Sie könnten zum Beispiel das Periodensystem und die Gesetze der Quantenmechanik in den Computer laden, um effizientere Solarzellen zu entwickeln. Quantencomputer können zu fein abgestimmten und optimalen Herstellungsprozessen führen, die Batterien von Elektroautos verbessern, Algorithmen schneller berechnen, um sich aufzulösen Autobahnstaus, ermitteln Sie die besten Versandmethoden und Reiserouten und verarbeiten Sie Daten mit enormen Geschwindigkeiten, die selbst in den schnellsten noch nie dagewesen sind Supercomputer.

Quantencomputer bieten nicht nur eine fortschrittlichere Technologie; sie sind die Grundlage für eine völlig neue Form des Rechnens, die auf den Gesetzen basiert, die der Quantenmechanik zugrunde liegen. Im Vergleich zu einem mit klassischen Rechenmethoden ausgestatteten Standardcomputer lässt ein Quantencomputer einen normalen Computer im Vergleich zu einem superschnellen Rennwagen wie ein Dreirad aussehen.

Zu den Entwicklungen bei Qubit-Prozessoren im Laufe der Jahre gehören:

• 1998 Die Oxford University in Großbritannien stellt ihren 2-Qubit-Prozessor vor.
• 1998 IBM, UC Berkeley, Stanford University und MIT entwickeln einen 2-Qubit-Prozessor.
• 2000 Technische Universität München, Deutschland, erstellt einen 5-Qubit-Prozessor.
• 2000 Los Alamos National Laboratory in den USA stellt einen 7-Qubit-Prozessor vor.
• 2006 Institute for Quantum Computing, Perimeter Institute for Theoretical Physics und MIT entwickeln einen 12-Qubit-Prozessor.
• 2017 teilt IBM die Neuigkeiten seines 17-Qubit-Prozessors mit.
• 2017 IBM stellt seinen 50-Qubit-Prozessor vor.
• 2018 veröffentlicht Google Neuigkeiten zu seinem 72-Qubit-Prozessor.

Während Quantencomputer schnell arbeiten, haben sie derzeit keine Möglichkeit, Daten zu speichern, da Sie nach den bestehenden Regeln der Quantenmechanik keine Duplikate, keine Kopien erstellen oder Daten im Quantensystem speichern können. Ingenieure und Wissenschaftler erforschen verschiedene Möglichkeiten, Quantendaten zu speichern; einige denken sogar darüber nach, Daten zu DNA-Strängen zu speichern.

Wissenschaftler entwickelten 2017 eine Methode, die etwa 215 Millionen Gigabyte an Informationen in einem einzigen DNA-Gramm speichert. Herkömmliche Festplatten speichern Daten in zwei Dimensionen, während DNA drei Dimensionen und eine größere Datenspeicherung bietet. Wenn sich herausstellte, dass eine Methode zur Verwendung von DNA praktikabel wäre, würde im Grunde das gesamte Wissen der Welt, das auf DNA gespeichert ist, einen einzigen Raum oder die Ladefläche von zwei Standard-Pickups füllen.

Forscher und Big Player auf der ganzen Welt versuchen, den nächstgrößeren Prozessor zu bauen. IBM hat Quantencomputing in seine Cloud integriert, sodass es fast allen zur Verfügung steht, die sich für die Teilnahme an seinen Experimenten anmelden.

Microsoft ist dabei, Quantencomputing in seine Visual Studio-Plattform zu integrieren, hat jedoch im September 2017 seine Pläne bekannt gegeben, seine Pläne auf der Grundlage der Majorana-Fermions-Teilchen – ein Teilchen, das als sein eigenes Antiteilchen existiert und 2012 entdeckt wurde – Microsoft bleibt relativ schweigsam zu seinem Quantencomputing Pläne.

Google will das Feld der Quantencomputer dominieren und hofft, durch den Bau eines Chips, der mit seinen Quantenberechnungen die heutigen Supercomputer übertreffen kann, eine "Quantenvorherrschaft" zu erreichen.

Ungeachtet der Fortschritte beim Quantencomputing werden Quantencomputer in absehbarer Zeit nicht in die Hände der Öffentlichkeit gelangen. Funktionierende Quantencomputer werden zuerst ihren Weg in Labors, Denkfabriken und Forschungszentren finden, um Gleichungen zu lösen, für die Supercomputer Jahre brauchen würden.

Obwohl viele Forscher die Kommerzialisierung von Quantencomputern innerhalb der nächsten vier bis fünf Jahre vorhersagen Jahren kann es noch einige Jahre und mehr dauern, bis Quantencomputer zur Norm für die Öffentlichkeit.