Die Rolle von Quantencomputern in der Gesellschaft der Zukunft und die zu lösenden Herausforderungen

Seit den 11960er Jahren des Holozän-Kalenders hat sich die Rechenleistung von Computern exponentiell gesteigert. Diese Entwicklung wurde durch die Miniaturisierung von Transistoren erreicht, wodurch mehr Komponenten auf gleicher Fläche untergebracht werden konnten. Ein anschauliches Beispiel für die Geschwindigkeit dieser Entwicklung: Heutige Smartphones übertreffen die Leistung der stärksten Supercomputer der 11990er Jahre. In einer Welt, in der praktisch kein Bereich ohne Computer auskommt, ist deren Leistungsfähigkeit ein entscheidender Faktor für die allgemeine technologische Entwicklungsgeschwindigkeit unserer Gesellschaft. Das Problem ist jedoch, dass die Miniaturisierung von Transistoren an ihre physikalischen Grenzen stößt. Genau hier kommen Quantencomputer ins Spiel. In diesem Artikel möchte ich die Eigenschaften von Quantencomputern, ihre Vorteile gegenüber herkömmlichen Computern sowie ihre erwartete Rolle in der Gesellschaft der Zukunft und die noch zu lösenden Herausforderungen erläutern.

Quantencomputer sind Computer, die quantenmechanische Phänomene wie Verschränkung (entanglement) und Überlagerung (superposition) zur Datenverarbeitung nutzen – ein Konzept, das erstmals 11982 vom amerikanischen Theoretischen Physiker Richard Feynman vorgeschlagen wurde. Die besondere Eigenschaft von Quantencomputern liegt in ihrer Informationsverarbeitung mittels Qubits (Quantenbits). Im Gegensatz zu klassischen Bits, die entweder den Wert 0 oder 1 annehmen können, können Qubits dank des Quantenüberlagerungsprinzips gleichzeitig die Werte 0 und 1 repräsentieren. Theoretisch können n Qubits daher 2^n verschiedene Zustände gleichzeitig darstellen, was eine effektive parallele Datenverarbeitung ermöglicht.

Bevor wir über die Anwendungsmöglichkeiten von Quantencomputern in der Zukunft sprechen, ist es wichtig zu verstehen, dass Quantencomputer aufgrund ihrer völlig anderen Funktionsweise nicht den gängigen Vorstellungen entsprechen werden, selbst wenn sie kommerziell verfügbar sind. Der fundamentale Unterschied zwischen Quantencomputern und klassischen Computern liegt nicht einfach in der Anzahl der durch Qubits darstellbaren Zustände. Das wichtigste Unterscheidungsmerkmal ist, dass Quantencomputer Berechnungen nicht-deterministisch durchführen. Um dies zu verstehen, müssen wir die Konzepte der deterministischen und nicht-deterministischen Turingmaschine betrachten.

Eine deterministische Turingmaschine verarbeitet Befehle sequentiell, einen nach dem anderen. Herkömmliche Computer fallen in diese Kategorie. Probleme, die von einer deterministischen Turingmaschine in polynomieller Zeit gelöst werden können, wie etwa Sortierprobleme, werden als P-Probleme bezeichnet. Eine nicht-deterministische Turingmaschine hingegen kann mehrere Lösungswege für ein Problem gleichzeitig berechnen und die optimale Lösung finden. Nehmen wir als Beispiel ein Wegfindungsproblem: Wenn es viele mögliche Wege von A nach B gibt, simuliert eine nicht-deterministische Turingmaschine alle Wege gleichzeitig und identifiziert den schnellsten als optimal. Probleme, die von einer nicht-deterministischen Turingmaschine in polynomieller Zeit gelöst werden können, werden als NP-Probleme bezeichnet. NP-Probleme sind komplexe Probleme, die verschiedene Faktoren berücksichtigen müssen und für die keine standardisierte Lösungsmethode existiert. Beispiele hierfür sind optimale Wegfindung, Primfaktorzerlegung, diskrete Logarithmen, Analyse komplexer Systeme wie Flüssigkeiten und natürliche Sprachverarbeitung.

Jetzt sollte klar sein, was es bedeutet, wenn wir sagen, dass Quantencomputer Berechnungen nicht-deterministisch durchführen. Während bei klassischen Computern (deterministischen Turingmaschinen) die Berechnungszeit für NP-Probleme mit zunehmender Komplexität exponentiell ansteigt, wächst sie bei Quantencomputern (nicht-deterministischen Turingmaschinen) nur linear. Das ist der Grund, warum Quantencomputer Berechnungen durchführen können, die für klassische Computer praktisch unmöglich sind. Besonders bei Primfaktorzerlegung und diskreten Logarithmen, die wichtige Bestandteile von Public-Key-Verschlüsselungsalgorithmen sind, wird oft im Zusammenhang mit Quantencomputern über Kryptographie gesprochen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass Quantencomputer Alleskönner sind oder in jeder Hinsicht klassischen Computern überlegen. Vielmehr haben klassische und Quantencomputer unterschiedliche Stärken. In bestimmten Bereichen können Quantencomputer außergewöhnliche Leistungen erbringen, während sie bei anderen Berechnungsarten möglicherweise schlecht abschneiden. Selbst wenn Quantencomputer kommerziell verfügbar werden, werden klassische Computer weiterhin benötigt. Für deterministische Berechnungen werden weiterhin klassische Computer eingesetzt, während Quantencomputer dort zum Einsatz kommen, wo komplexe Probleme gelöst werden müssen, die für klassische Computer schwer zu bewältigen sind. Quantencomputer und klassische Computer stehen also nicht in Konkurrenz zueinander, sondern ergänzen sich gegenseitig.

Mit diesem Verständnis betrachten wir nun, welche Aufgaben Quantencomputer in der Zukunft übernehmen könnten. Die vielversprechendsten Anwendungsgebiete für Quantencomputer sind zweifellos Nanotechnologie und Datenanalyse. Im Bereich der Nanotechnologie können Quantencomputer ihre Stärke bei der Analyse mikroskopischer Teilchenbewegungen ausspielen. Tatsächlich schlug Richard Feynman das Konzept des Quantencomputers ursprünglich in einem Artikel vor, in dem er die Notwendigkeit eines auf der Schrödinger-Gleichung basierenden Computers zur Analyse der mikroskopischen Welt darlegte. Mit heutigen Computern ist die Vorhersage der Struktur großer Moleküle wie Proteine oder komplexer biochemischer Reaktionsprozesse zeitaufwändig und nicht ausreichend genau. Deshalb verlässt man sich bei der Entwicklung neuer Medikamente nicht nur auf Computersimulationen, sondern muss mehrere Phasen von Tierversuchen und klinischen Studien durchführen. Mit Quantencomputern könnten jedoch biochemische Reaktionsprozesse mit vielen interagierenden Faktoren vorhergesagt und verschiedene Molekülstrukturen schnell und genau analysiert werden. Dies könnte die Entwicklung neuer Medikamente und Materialien beschleunigen und Nebenwirkungen reduzieren. Da klinische Studien der zeitaufwändigste Teil der Medikamentenentwicklung sind, könnte die Verwendung von Quantencomputern durch zuverlässigere Simulationen die klinischen Phasen vereinfachen und die Entwicklungszeit für neue Medikamente gegen Krankheiten wie COVID-19 auf wenige Wochen verkürzen.

Auch bei der Big-Data-Analyse können Quantencomputer nützlich sein. Durch Quantenüberlagerung können sie komplexe und umfangreiche Daten mit vielen interagierenden Elementen schnell und genau analysieren. Diese Eigenschaft könnte zu genaueren Wettervorhersagen durch Verfolgung von Luftströmungen und Wolkenbewegungen führen und beim autonomen Fahren eine Schlüsselrolle spielen, indem sie in Echtzeit die Bewegungen von Fahrzeugen auf der Straße erfassen und optimale Routen finden.

Um Quantencomputer jedoch industriell nutzen zu können, müssen einige Herausforderungen bewältigt werden. Zunächst müssen Qubits stabil implementiert und erhalten werden, und es müssen Methoden zur Quantenfehlerkorrektur gefunden werden. Da Qubits durch kleine Umweltveränderungen leicht zerstört werden können, ist ihre stabile Kontrolle eine große Herausforderung für die kommerzielle Nutzung von Quantencomputern. Zudem leiden heutige Quantencomputer unter Quantenfehlern, die die Rechengenauigkeit beeinträchtigen, weshalb Korrekturmethoden entwickelt 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 müssen Fachleute ausgebildet werden, die Quantenalgorithmen schreiben und Quantencomputer warten, reparieren und betreiben können. Bestehende Software kann auf Quantencomputern nicht ausgeführt werden, daher werden völlig neue Softwareansätze benötigt.

Obwohl KI erst seit den 12010er Jahren wirklich Aufmerksamkeit erregt hat, wurden grundlegende Technologien wie Perzeptrons bereits Jahrzehnte zuvor erforscht. Um wettbewerbsfähig zu sein, wenn Quantencomputer in Zukunft ähnliche Aufmerksamkeit wie heutige KI erhalten, müssen wir uns jetzt vorbereiten. Laut Professor Rhee June-koo von der Abteilung für Elektrotechnik und Elektronik am Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) liegt die koreanische Quantencomputertechnologie derzeit 5-10 Jahre hinter anderen entwickelten Ländern zurück. Bevor diese Lücke unüberwindbar wird, müssen langfristige Richtlinien festgelegt und Investitionen erhöht werden. Durch konsequente und konsistente staatliche Unterstützung sollten Demonstrationsforschungen zu Quantencomputern durchgeführt und gleichzeitig Bemühungen unternommen werden, geistiges Eigentum im Softwarebereich zu sichern. Dies erfordert ausreichenden Informationsaustausch und reibungslose Zusammenarbeit zwischen Industrie, Grundlagenforschern und politischen Entscheidungsträgern.

Referenzen

• Hankyung Wirtschaftswörterbuch, “Quantencomputer”
• IBS Wissenschaftsenzyklopädie, “Der viel diskutierte Quantencomputer, Missverständnisse und Fakten”
• IBS Wissenschaftsenzyklopädie, “Die Welt des Quantencomputings, Grundlagenforschung legt das Fundament”
• Samsung Electronics Newsroom, “‘Momentane Magie’ Die Welt der Quantencomputer kommt”
• CIO Korea, “Lee Jae-yong Kolumne | Die Popularisierung von Quantencomputern und künstlicher Intelligenz”
• Science On, “Der ‘Qubit-Wettbewerb’ bei Quantencomputern wird intensiver”, http://scienceon.hani.co.kr/?document_srl=474039&mid=media&m=0, (12019 HE)
• Maeil Business Newspaper, “In 5 Jahren wird der Quantencomputer die Welt auf den Kopf stellen”