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

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

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 vorgeschlagen. Eine einzigartige Eigenschaft von Quantencomputern ist, dass sie Informationen in Qubits (Quantenbits) verarbeiten. Im Gegensatz zu klassischen Bits, die entweder 0 oder 1 sein können, können Qubits dank des Quantenüberlagerungsprinzips gleichzeitig 0 und 1 sein. Theoretisch können daher n Qubits 2^n Zustände gleichzeitig darstellen, 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 viele Menschen es sich vorstellen. Der fundamentale Unterschied zwischen Quantencomputern und klassischen Computern liegt nicht einfach in der Anzahl der Zustände, die Qubits darstellen können. Das wichtigste Unterscheidungsmerkmal von Quantencomputern ist, dass sie 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 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 viele mögliche Wege von A nach B gibt, würde eine nicht-deterministische Turingmaschine alle Routen gleichzeitig simulieren und die schnellste Route als optimal ausgeben. 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. 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 klassischen Computern, also deterministischen Turingmaschinen, die nur einen Pfad auf einmal berechnen können, die Rechenzeit mit zunehmender Problemkomplexität exponentiell ansteigt, steigt sie bei Quantencomputern als nicht-deterministische Turingmaschinen nur linear an. Das ist der Grund, warum oft gesagt wird, dass Quantencomputer Berechnungen durchführen können, die für klassische 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 klassischen Computern überlegen sind. Es ist genauer zu sagen, dass klassische Computer und Quantencomputer unterschiedliche Stärken haben. Während Quantencomputer in bestimmten Bereichen sehr leistungsfähig sind, können sie bei anderen Arten von Berechnungen sehr schlecht abschneiden. Das bedeutet, dass selbst wenn Quantencomputer kommerzialisiert werden, klassische Computer weiterhin benötigt werden. Klassische Computer werden weiterhin für deterministische Berechnungen verwendet werden, während Quantencomputer in Bereichen zum Einsatz kommen werden, die komplexe Problemlösungen erfordern, die für klassische Computer schwierig sind. Quantencomputer und klassische Computer stehen also nicht in Konkurrenz zueinander, sondern ergänzen sich gegenseitig.

Mit diesem Verständnis lassen Sie uns nun betrachten, welche Aufgaben Quantencomputer in Zukunft übernehmen könnten. Die vielversprechendsten Bereiche für Quantencomputer sind zweifellos die Nanotechnologie und die Datenanalyse. In der Nanotechnologie können Quantencomputer ihre Stärken bei der Analyse der mikroskopischen Bewegung von Partikeln ausspielen. Tatsächlich schlug Richard Feynman das Konzept des Quantencomputers ursprünglich 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. Heutige Computer benötigen viel Zeit und erreichen keine ausreichende Genauigkeit bei der Vorhersage der Struktur großer Moleküle wie Proteine oder komplexer biochemischer Reaktionsprozesse. 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 könnten jedoch biochemische Reaktionsprozesse mit zahlreichen interagierenden Faktoren vorhergesagt und verschiedene Molekülstrukturen schnell und genau analysiert werden. Diese Ergebnisse könnten die Entwicklung neuer Medikamente und Materialien beschleunigen und Nebenwirkungen reduzieren. Da klinische Studien der Hauptgrund für die lange Entwicklungszeit neuer Medikamente sind, könnte die Verwendung von Quantencomputern aufgrund der hohen 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 Datensätze mit vielen interagierenden Elementen schnell und genau analysieren. Diese Eigenschaft könnte genauere Wettervorhersagen durch Verfolgung von Luftströmungen und Wolkenbewegungen ermöglichen und eine Schlüsselrolle beim autonomen Fahren spielen, indem in Echtzeit die Bewegungen von Fahrzeugen auf der Straße erfasst und optimale Routen gefunden werden.

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 zerstört werden können, 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 wirklich in den Fokus gerückt ist, wurden grundlegende Technologien wie Perzeptrone, die die Grundlage der heutigen KI bilden, bereits Jahrzehnte zuvor erforscht. Um wettbewerbsfähig zu sein, wenn Quantencomputer in Zukunft ähnliche Aufmerksamkeit wie die heutige KI erhalten, müssen wir uns jetzt darauf vorbereiten. Laut Professor Lee Jun-koo von der Fakultät für Elektrotechnik und Elektronik am Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) liegt die Quantencomputertechnologie in Korea derzeit 5-10 Jahre hinter anderen entwickelten Ländern zurück. Bevor sich diese Lücke weiter vergrößert und unumkehrbar wird, müssen wir mit langfristiger Perspektive entsprechende Richtlinien festlegen, die Investitionen erhöhen und durch konsequente und konsistente staatliche Unterstützung experimentelle Forschung zu Quantencomputern durchführen und gleichzeitig geistiges Eigentum im Bereich der Software 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”