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Quan­ten­com­puter verwenden drei Arten von Qubits

Lesezeit ca.: 2 Minuten
Bernd Seidel

Bernd Seidel

freier Journalist

Quantencom­puter arbeiten nicht nach den Prinzipien der Elektronik, sondern nach denen der Quantenphysik. Je nach dem verwendeten Typ von Qubit entscheidet sich, ob der Rechner frei programmierbar ist, oder ob sich sein Einsatz auf die Lösung eines einzigen Problems beschränkt.

07. August 2017

Quantencom­puter arbeiten mit sogenannten Qubits. Diese können nicht nur die von den Bits bekannten Wert Null oder Eins annehmen, sondern beide Zustände gleichzeitig. Das kanadische Start-up D-Wave vermeldet für sein jüngstes Modell des Quantencom­pu­ters bis zu 2000 Qubits, während der Konkurrent IBM auf 5 Qubits im Rechner selbst und 20 Qubits im dazugehö­rigen Simulator verweist. Dieser Unterschied ist deutlich zu groß, um ihn mit einem jeweils unterschied­li­chen Fortschritt in der Entwicklung zu erklären.

Vom Single Purpose-Rechner zur freien Programmie­rung

„Es gibt grundsätz­lich drei unterschied­liche Arten von Quantencom­pu­tern, und die nutzen unterschied­liche Arten von Qubits“, erklärt Rüdiger Spies, Independent Vice President Software Markets beim Analysten­haus PAC. „Die Qubits unterscheiden sich sowohl in ihrer Komplexität als auch in ihrem Anwendungs­ge­biet.“ Am unteren Ende liegen die sogenannten Quantum Annealer. Diese eignen sich beispiels­weise dazu, das Minimum in einer Verteilungs­funk­tion zu finden. So wie es Volkswagen bei den Berechnungen zur Optimierung des Verkehrs­flusses in Peking macht. Der Nachteil dieses Typs: Die Qubits arbeiten zwar sehr schnell, können aber durch die Art ihrer Verschal­tung nur das Problem lösen, wofür sie implemen­tiert sind.

Am oberen Ende liegen die sogenannten Universal Qubits. Diese können in beliebige Zustände gebracht und dort auch gehalten werden. „Sie lassen sich programmieren wie ein klassischer Computer und sind daher nicht auf die Lösung eines speziellen Problems beschränkt“, erklärt Spies. IBM arbeitet mit Universal Qubits. Das Problem dieses Qubit-Typs ist der enorme Aufwand an Hardware und Software für die Fehlerkor­rektur, um die sensiblen Quantenef­fekte bei der Verarbei­tung von Daten auszuglei­chen.

Um diese Hürde zu umgehen, haben Google-Forscher das alternative Modell des sogenannten Quantencom­pu­ters entwickelt. Dieses Design verursacht bei der Fehlerkor­rektur weniger Aufwand, so dass sich damit die Fortschritte in Sachen Leistung möglicher­weise einfacher erreichen lassen. Das Problem dieses Typs liegt darin, dass das Konzept des analogen Quantencom­pu­ters bislang in der Theorie noch wenig erforscht ist.

Kühlung und Auslesen der Zustände als Hürden

„Um ein Qubit in den gewünschten Zustand zu bringen, muss es fast auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt werden“, erläutert Spies. „Der eigentliche Zustand wird erst beim Auslesen erkennbar. Die Ausleseme­chanik, die dafür nötig ist, stellt bislang die größte Hürde dar.

Volkswagen kann sich neben der Verkehrs­fluss­op­ti­mie­rung künftig Einsätze beim autonomen Fahren oder beim Optimieren von Produkti­ons­schritten vorstellen. Analyst Spies verweist auf drei weitere Einsatzbe­reiche: „In der Material­for­schung lassen sich die Eigenschaften künftiger Werkstoffe berechnen, so dass weniger Praxisver­suche nötig sind.“ Enorme Fortschritte seien zudem in der Bilderken­nung und in der Kryptogra­phie möglich: „Ein Quantencom­puter knackt alle heutigen Verschlüs­se­lungs­ver­fahren, weil er sämtliche in einem Kryptogra­phie­al­go­rithmus möglichen Zustände praktisch gleichzeitig simulieren kann.“

Ausgabe 2017/02

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