Die Rolle von Quantencomputern in der Gesellschaft der Zukunft und zu lösende Herausforderungen

Seit den 1960er Jahren hat sich die Rechenleistung von Computern über Jahrzehnte hinweg exponentiell gesteigert. Diese Entwicklung wurde durch die Miniaturisierung der Transistoren, die in den Prozessoren der Computer verbaut sind, erreicht, wodurch mehr Komponenten auf der gleichen Fläche integriert werden konnten. Ein anschauliches Beispiel für die rasante Leistungssteigerung von Computern ist die Tatsache, dass moderne Smartphones die leistungsfähigsten Supercomputer der 1990er Jahre bei weitem übertreffen. Da es heute praktisch keinen Bereich mehr gibt, in dem Computer nicht eingesetzt werden, ist ihre Leistungsfähigkeit ein entscheidender Faktor für die allgemeine technologische Entwicklung der modernen Gesellschaft. Das Problem ist jedoch, dass diese Art der Leistungssteigerung durch die extreme Miniaturisierung der einzelnen Transistoren nun an ihre physikalischen Grenzen stößt. Dies ist der Grund, warum Wissenschaftler ihre Aufmerksamkeit auf Quantencomputer richten. In diesem Artikel möchte ich über die Eigenschaften von Quantencomputern, ihre Vorteile gegenüber herkömmlichen Computern sowie ihre erwartete Rolle in der Gesellschaft der Zukunft und die Herausforderungen, die es dafür zu bewältigen gilt, sprechen.

Quantencomputer sind Computer, die quantenmechanische Phänomene wie Verschränkung(entanglement) und Überlagerung(superposition) zur Datenverarbeitung nutzen. Das Konzept wurde 1982 erstmals vom amerikanischen theoretischen Physiker Richard Feynman vorgestellt. Eine einzigartige Eigenschaft von Quantencomputern ist, dass sie Informationen in Qubits (Quantenbits) verarbeiten. Im Gegensatz zu den Bits herkömmlicher Computer, die entweder den Wert 0 oder 1 annehmen, können Qubits dank des Phänomens der Quantenüberlagerung gleichzeitig die Werte 0 und 1 annehmen. Theoretisch können daher bei n verwendeten Qubits 2^n Zustände gleichzeitig dargestellt werden, was Quantencomputern eine effektive parallele Datenverarbeitung ermöglicht.

Bevor wir über die zukünftigen Anwendungsmöglichkeiten von Quantencomputern sprechen, ist es wichtig zu betonen, dass Quantencomputer aufgrund ihrer völlig anderen Funktionsweise selbst nach ihrer Kommerzialisierung anders sein werden, als sich die meisten Menschen vorstellen. Der grundlegende Unterschied zwischen Quantencomputern und herkömmlichen Computern liegt nicht einfach in der Anzahl der Zustände, die Qubits darstellen können. Das wichtigste Merkmal, das Quantencomputer von herkömmlichen Computern unterscheidet, ist, dass Quantencomputer Berechnungen nicht-deterministisch durchführen. Um zu verstehen, was das bedeutet, müssen wir die Konzepte der deterministischen und nicht-deterministischen Turingmaschine kennen.

Eine deterministische Turingmaschine verarbeitet eine gegebene Reihe von Anweisungen sequentiell, eine nach der anderen. Die meisten gängigen Computer fallen in diese Kategorie. Einfache Probleme, die eine deterministische Turingmaschine in polynomieller Zeit lösen kann, wie zum Beispiel Sortierprobleme, werden als P-Probleme bezeichnet. Im Gegensatz dazu kann eine nicht-deterministische Turingmaschine mehrere Antworten auf ein Problem gleichzeitig berechnen, d.h. sie kann die optimale Lösung aus zahlreichen Möglichkeiten finden. Nehmen wir als Beispiel das Problem der optimalen Routenfindung: Wenn es zahlreiche Wege von A nach B gibt, simuliert eine nicht-deterministische Turingmaschine alle möglichen Routen gleichzeitig und gibt die Route, die am schnellsten zum Ziel führt, als optimale Route aus. Probleme, die eine nicht-deterministische Turingmaschine in polynomieller Zeit lösen kann, werden als NP-Probleme bezeichnet. NP-Probleme sind komplexe Probleme, die verschiedene Ursachen und Faktoren berücksichtigen müssen und für die es keine standardisierte Lösung gibt, die wie eine Formel angewendet werden kann. Beispiele hierfür sind die bereits erwähnte optimale Routenfindung, Primfaktorzerlegung, diskrete Logarithmen, Analyse komplexer Systeme wie Flüssigkeiten und natürliche Sprachverarbeitung.

Jetzt sollte klar sein, was gemeint ist, wenn gesagt wird, dass Quantencomputer Berechnungen nicht-deterministisch durchführen. Während bei herkömmlichen Computern, also deterministischen Turingmaschinen, die nur einen Pfad auf einmal berechnen können, die benötigte Zeit mit zunehmender Problemkomplexität exponentiell ansteigt, wächst sie bei Quantencomputern als nicht-deterministische Turingmaschinen nur linear mit der Problemkomplexität. Das ist der Grund, warum oft gesagt wird, dass Quantencomputer Berechnungen durchführen können, die für herkömmliche Computer unmöglich sind. Insbesondere die Primfaktorzerlegung und das Problem des diskreten Logarithmus spielen eine wichtige Rolle in Public-Key-Kryptographie-Algorithmen, weshalb bei Diskussionen über Quantencomputer oft auch die Kryptographie erwähnt wird. Dies bedeutet jedoch nicht, dass Quantencomputer allumfassend sind und in jeder Hinsicht herkömmlichen Computern überlegen sind. Es wäre genauer zu sagen, dass herkömmliche Computer und Quantencomputer unterschiedliche Stärken haben. Während Quantencomputer in bestimmten Bereichen sehr leistungsfähig sind, können sie bei anderen Arten von Berechnungen sehr schlechte Leistungen zeigen. Das heißt, selbst wenn Quantencomputer kommerzialisiert werden, werden herkömmliche Computer weiterhin benötigt. Für deterministische Berechnungen werden weiterhin herkömmliche Computer eingesetzt, während Quantencomputer dort zum Einsatz kommen, wo komplexe Probleme gelöst werden müssen, die für herkömmliche Computer schwierig zu bewältigen sind. Quantencomputer und herkömmliche Computer stehen also nicht in Konkurrenz zueinander, sondern ergänzen sich gegenseitig.

Mit diesem Verständnis wollen wir nun betrachten, welche Aufgaben Quantencomputer in Zukunft übernehmen könnten. Die vielversprechendsten Bereiche für den Einsatz von Quantencomputern sind zweifellos die Nanotechnologie und die Datenanalyse. In der Nanotechnologie können Quantencomputer ihre enorme Fähigkeit bei der Analyse der mikroskopischen Bewegung von Partikeln unter Beweis stellen. Tatsächlich stellte Richard Feynman das Konzept des Quantencomputers erstmals in einem Artikel vor, in dem er argumentierte, dass ein auf der Schrödinger-Gleichung basierender Computer notwendig sei, um die Bewegungen in der mikroskopischen Welt zu analysieren. Mit heutigen Computern dauert es lange, die Struktur großer Moleküle wie Proteine oder komplexe biochemische Reaktionsprozesse vorherzusagen, und die Vorhersagegenauigkeit ist nicht ausreichend. Das ist der Grund, warum bei der Entwicklung neuer Medikamente nicht ausschließlich auf Computersimulationen vertraut wird, sondern immer mehrere Phasen von Tierversuchen und klinischen Studien durchgeführt werden müssen. Mit Quantencomputern können jedoch biochemische Reaktionsprozesse, bei denen zahlreiche Faktoren interagieren, vorhergesagt und verschiedene Molekülstrukturen schnell und genau analysiert werden. Die Ergebnisse können genutzt werden, um die Entwicklung neuer Medikamente und Materialien zu beschleunigen und Nebenwirkungen zu reduzieren. Da klinische Studien der Hauptgrund für die lange Dauer der Medikamentenentwicklung sind, könnte der Einsatz von Quantencomputern durch die hohe Zuverlässigkeit der Simulationen die klinischen Studienphasen vereinfachen und so die Entwicklungszeit für neue Medikamente gegen neue Krankheiten wie COVID-19 dramatisch auf wenige Wochen verkürzen.

Quantencomputer können auch in der Big-Data-Analyse nützlich sein. Durch Quantenüberlagerung können sie komplexe und umfangreiche Daten mit vielen interagierenden Faktoren schnell und genau analysieren. Dank dieser Eigenschaft werden genauere Wettervorhersagen durch die Verfolgung von Luftströmungen und Wolkenbewegungen möglich, und sie können eine Schlüsselrolle beim autonomen Fahren spielen, indem sie in Echtzeit die Bewegungen von Fahrzeugen auf der Straße erfassen und optimale Routen finden.

Um Quantencomputer jedoch in der Industrie einsetzen zu können, müssen einige Herausforderungen bewältigt werden. Zunächst müssen Qubits stabil implementiert und aufrechterhalten sowie Methoden zur Quantenfehlerkorrektur gefunden werden. Da Qubits leicht durch kleine Umweltveränderungen zerfallen, ist ihre stabile Kontrolle eine große Herausforderung für die Kommerzialisierung von Quantencomputern. Darüber hinaus haben aktuelle Quantencomputer aufgrund von Quantenfehlern eine etwas geringere Rechengenauigkeit, sodass Methoden zur Korrektur dieser Fehler gefunden werden müssen. Für die Implementierung von Qubits werden verschiedene Ansätze wie Ionenfallen, supraleitende Schleifen und topologische Qubits erforscht, die jeweils Vor- und Nachteile haben. Gleichzeitig ist es notwendig, Fachkräfte auszubilden, die Quantenalgorithmen schreiben und Quantencomputer warten, reparieren und betreiben können. Da bestehende Software nicht auf Quantencomputern läuft, wird völlig neue Software benötigt, die für Quantencomputer geeignet ist.

Obwohl KI erst in den 2010er Jahren richtig in den Fokus gerückt ist, wurden grundlegende Technologien wie das Perzeptron, die die Basis für die heutige KI bilden, bereits Jahrzehnte zuvor erforscht. Um wettbewerbsfähig zu sein, wenn Quantencomputer in Zukunft ähnliche Aufmerksamkeit erhalten wie KI heute, müssen wir uns jetzt darauf vorbereiten. Laut Professor Rhee June-koo von der Fakultät für Elektrotechnik und Elektronik des Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) liegt die Quantencomputertechnologie in Korea derzeit 5-10 Jahre hinter anderen fortgeschrittenen Ländern zurück. Bevor sich diese Lücke weiter vergrößert und unumkehrbar wird, müssen wir mit langfristiger Perspektive entsprechende Richtlinien festlegen und die Investitionen erhöhen. Durch konsequente und konsistente Unterstützung der Regierung sollten wir uns bemühen, praktische Forschung zu Quantencomputern durchzuführen und gleichzeitig geistiges Eigentum im Bereich der Software zu sichern. Dafür ist ein ausreichender Informationsaustausch und eine reibungslose Zusammenarbeit zwischen Industrie, Grundlagenforschern und politischen Entscheidungsträgern erforderlich.

Referenzen

• Hankyung Wirtschaftswörterbuch, “Quantencomputer”
• IBS Wissenschaftsenzyklopädie, “Der viel diskutierte Quantencomputer, Missverständnisse und Fakten”
• IBS Wissenschaftsenzyklopädie, “Die Welt des Quantencomputing, Grundlagenforschung legt das Fundament”
• Samsung Electronics Newsroom, “Die Welt des ‘Augenblickszaubers’ Quantencomputer kommt”
• CIO Korea, “Lee Jae-yong Kolumne | Popularisierung von Quantencomputern und künstlicher Intelligenz”
• Science On, “Der ‘Qubit-Wettbewerb’ bei Quantencomputern verschärft sich”, http://scienceon.hani.co.kr/?document_srl=474039&mid=media&m=0, (2019)
• Maeil Business Newspaper, “In 5 Jahren wird der Quantencomputer die Welt auf den Kopf stellen”