Informatiker erforscht Entwicklung von Quantencomputern
360直播吧 k?nnten unsere herk?mmlichen PCs alt aussehen lassen und sollen Probleme l?sen, an denen selbst die besten Superrechner bislang scheitern: Quantencomputer. Gro?e Tec-Unternehmen wie Google, IBM und Microsoft liefern sich aktuell einen Wettkampf um die Entwicklung der Megarechner. Doch Quantencomputer sind schwer zu bauen und zu programmieren. Jun.-Prof. Dr. Sevag Gharibian, Quanteninformatiker an der Universit?t Paderborn, m?chte mit einem neuen Forschungsprojekt einen Beitrag zum besseren Verst?ndnis der neuen Superrechner leisten und untersuchen, wie sich mithilfe von Quantensystemen die physikalischen Eigenschaften und Prozesse der Natur berechnen lassen. Sein von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit 273.800 Euro gef?rdertes dreij?hriges Projekt startete Anfang des Jahres.
Forschung in der Welt des Allerkleinsten
?In der Quanteninformatik arbeiten wir daran, die n?chste Computergeneration zu bauen. Heutige Rechner basieren auf der klassischen Mechanik und rechnen mit Bits. Quantencomputer dagegen funktionieren auf Basis der Quantenmechanik und rechnen mit Quanten-Bits, meist Qubits genannt“, erkl?rt Sevag Gharibian. W?hrend die klassische Mechanik mathematisch beschreibt, wie gro? oder makroskopisch sich Objekte verhalten, widmet sich die Quantenmechanik der Welt des Allerkleinsten: 360直播吧 untersucht die mathematischen Gesetze, die bestimmen, wie klein oder subatomar Objekte wie Photonen, also winzige Lichtteilchen, agieren.
?Durch die Gesetze der Quantenmechanik wissen wir heute, dass sich subatomare Objekte wie Photonen oder Elektronen komplett anders verhalten als ihre Gegenstücke in der klassischen Mechanik. Nehmen wir ein klassisches Objekt, etwa einen Tennisball in Bewegung: Er kann nur an einem Ort sein und einen Zustand annehmen. Kleine Objekte wie Elektronen dagegen k?nnen gleichzeitig an verschiedenen Orten und in verschiedenen Zust?nden existieren“ führt Gharibian aus.
Für die Welt der Computer bedeutet das: Im Chip eines normalen PCs wird ein Bit durch einen Prozessor, ein klassisches Objekt, modelliert. Durch den Prozessor flie?t entweder Strom oder nicht. Bei ?Strom an“ nimmt das Bit den Zustand 1 an, bei ?Strom aus“ den Zustand 0. Im Quantencomputer dagegen ist der Prozessor durch beispielsweise ein Elektron, ein subatomares Objekt, ersetzt. Das Bit wird dann durch das Elektron modelliert, Teil des Elektrons und zum Qubit. Das Qubit kann wie das Bit den Zustand 1 oder 0 annehmen – aber auch gleichzeitig im Zustand 1 und 0 sein sowie in theoretisch unendlichen Zust?nden dazwischen.
Quantencomputer k?nnten wesentlich schneller rechnen als bisherige Computer
Genau diese auf den ersten Blick schwer greifbare F?higkeit der Qubits macht Quantencomputer schneller und leistungsf?higer als bisherige Rechner: Für die gleiche Berechnung ben?tigen sie wesentlich weniger Zeit. ?In einem aktuellen Computer k?nnen zwei Bits immer nur eine Zahl auf einmal darstellen – in einem Quantencomputer dagegen kann bereits ein Qubit unendlich viele verschiedene Zust?nde annehmen und das gleichzeitig“, beschreibt Gharibian.
?Quantencomputer nutzen au?erdem das quantenphysikalische Ph?nomen der Verschr?nkung“, erz?hlt der Informatiker. So k?nnen Qubits quantenverschr?nkt, also miteinander verknüpft sein. Wird ein Qubit in einen bestimmten Zustand gebracht, ?ndert sich auch der Zustand der anderen mit ihm verbundenen Qubits. Das geschieht mit ?berlichtgeschwindigkeit. Wenn mehrere Qubits miteinander quantenverschr?nkt sind, kann auch der Quantencomputer mit ?berlichtgeschwindigkeit und damit deutlich schneller als aktuelle Computer rechnen.
Big Data, Medizin oder Datenschutz: Quantencomputer als vielf?ltige Helfer
Die Quantencomputer k?nnten künftig im Bereich Big Data eingesetzt werden, über Verschlüsselungsmechanismen für mehr Datensicherheit sorgen, aber auch helfen, physikalische Prozesse zu simulieren, die in der Natur vorkommen. Gharibian: ?Quantencomputer sind derzeit zum einen für die Verarbeitung gro?er Datenmengen und im Bereich der Kryptographie, der Wissenschaft der Verschlüsselung von Informationen, interessant – beispielsweise mit dem sogenannten Shor-Algorithmus, der Mittel der Quanteninformatik nutzt. Zum anderen k?nnten uns Quantencomputer dabei unterstützen, die Eigenschaften der Materie besser zu verstehen. Dadurch lie?en sich etwa neue Medikamente entwickeln und neuartige Nanomaterialien designen.“
Bislang ist allerdings vieles Zukunftsmusik, denn die Entwicklung der Quantencomputer steckt noch in den Kinderschuhen. ?Die Forschung zu Quantencomputern setzte intensiv Mitte der 1990er Jahre ein – mit Peter Shors Quantenfaktor-Algorithmus, der Schwachstellen bei der Verschlüsselung von Daten offenbarte. Bisher haben Tec-Firmen wie Google und Spezialunternehmen wie IonQ erste Quantencomputer mit unterschiedlichen Technologien und Leistungen von 50 bis 100 Qubits entwickelt“, so Gharibian.
Grundlagenforschung im ?Quantum Computing Lab“
Was die Entwicklung von Quantencomputern so kompliziert macht: Da sie nach anderen Gesetzen funktionieren als bisherige Rechner, braucht es neue Programmiermethoden. Und: 360直播吧 müssen aufw?ndig auf extrem niedrige Temperaturen heruntergekühlt werden. Hier kommt Sevag Gharibians Forschungsprojekt ins Spiel: ?In unserem Projekt wollen wir Algorithmen und mathematische Beweise für Computerprobleme entwickeln, die bei mit Tiefsttemperaturen arbeitenden Quantensystemen auftreten“, erl?utert der Wissenschaftler. Ein zentrales Problem bei der Entwicklung von Quantencomputern sei es beispielweise, die Energie eines Quantensystems, das auf den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt ist, zu berechnen, so Gharibian. Bisherige Ans?tze der sogenannten theoretischen Informatik seien hier nicht effizient genug.
Gharibian wendet daher in seinem ?Quantum Computing Lab“ an der Universit?t Paderborn verschiedene Methoden der theoretischen Informatik und der Mathematik an: ?Wir setzen etwa Techniken der Algorithmen- und der Komplexit?tstheorie ein, zwei Teilgebieten der theoretischen Informatik, und aus der Mathematik vor allem lineare Algebra und algebraische Geometrie“, führt der Informatiker aus. Besonders interessant für ihn ist die sogenannte Hamiltonianische Komplexit?t: ?Dieses Spezialgebiet der theoretischen Informatik hilft uns zu verstehen, wie sich Quantensysteme verhalten, die mit Tiefsttemperaturen arbeiten.“
Zur Quantenüberlegenheit ist es wohl noch ein weiter Weg
Im Herbst 2019 sorgten Google-Forscher mit einem Artikel in der Fachzeitschrift ?Nature“ für Aufsehen. 360直播吧 behaupteten, mit Googles Quantenprozessor ?Sycamore“ erstmals die sogenannte Quantenüberlegenheit demonstriert zu haben. Bei der Quantenüberlegenheit ist ein Quantencomputer in der Lage, ein komplexes Problem weitaus schneller zu l?sen als derzeitige mit Bits rechnende Supercomputer. Laut Google soll ?Sycamore“ für eine Berechnung rund 200 Sekunden gebraucht haben – IBMs ?Summit“, der aktuell schnellste Superrechner der Welt, h?tte dafür weitaus l?nger gebraucht. Sevag Gharibians Einsch?tzung: ?Ob es Google wirklich gelungen ist, die Quantenüberlegenheit nachzuweisen, ist unklar. IBM behauptete, dass sein Superrechner mit etwas Optimierung fast die gleichen Resultate erzielen k?nne wie Googles Quantencomputer. Bislang hat IBM das aber nicht nachgewiesen. In jedem Fall sollten wir uns bewusstmachen: Klassische Computer wurden jahrzehntelang enorm weiterentwickelt. Auf absehbare Zeit werden sie Quantencomputer wahrscheinlich noch übertreffen.“
Quantencomputer werden bisherige Computer also so schnell nicht ersetzen. Wann und wie genau sie eines Tages eingesetzt werden, ist noch vollkommen offen. Sevag Gharibian m?chte mit seiner Forschung dazu beitragen, dass wir die Superrechner der Zukunft besser verstehen k?nnen.
Weitere Informationen zur Forschung von Sevag Gharibian: http://groups.uni-paderborn.de/fg-qi
Simon Ratmann, Stabsstelle Presse und Kommunikation
