Quantencomputing… Warum eigentlich?

Abbildung: Die Superposition als Vektor

Über etwa sechzig Jahre hat sich die Leistungsfähigkeit klassischer Digitalrechner immer weiter gesteigert – Gordon Moore lässt grüßen! Mittlerweile stoßen wir hier jedoch an physikalische Grenzen. Und bei aller Performance lassen sich mit unseren Computern manche Aufgabenstellungen, zum Beispiel bei der Lösung von Optimierungsproblemen, nicht wirklich berechnen. Wir begnügen uns da bisher mit Näherungslösungen.
In dieser Situation kann man nur noch mit einem Paradigmenwechsel weiterkommen.
Quantencomputer (QC) sind ein solcher Paradigmenwechsel. Ihre Funktionsweise basiert nicht auf Bits, die deterministisch den Wert 0 oder 1 haben, sondern auf Qubits. Das Qubit ist eine elementare Informationseinheit, die nur durch die Quantenmechanik korrekt beschrieben wird und die gleichzeitig unterschiedliche Zustände haben kann – Superposition. Und mit einem weiteren Phänomen aus der Quantenphysik, der Verschränkung, lassen sich Informationen austauschen.
Die Funktion eines darauf basierenden Rechners ist radikal anders als wir es von Computern gewohnt sind. Und gerade da liegt der Vorteil. Schon 1994 entwickelte Peter Shore einen Algorithmus zur Primfaktorzerlegung auf Quantencomputern. Er zeigt, dass damit Aufgaben berechenbar werden, die auf konventionellen Rechnern als unlösbar gelten, deren Lösung dort Jahre oder Jahrzehnte dauern würde.
Quantencomputer werden also nicht den Prozessor im Smartphone ersetzen, nicht den PC und auch nicht den Linux-Server in der Cloud. Aber zur Bearbeitung ganz spezifischer Probleme, da versprechen sie einen Durchbruch.

Das Problem des Handlungsreisenden (Traveling Salesman): Ein bekanntes mathematisches Optimierungsproblem. Für eine Reise durch mehrere Städte soll die gesamte Reisestrecke minimiert werden und keine Stadt darf doppelt besucht werden.

Für den produktiven Einsatz solcher Systeme gibt es nun zwei Herausforderungen: Einerseits die Konstruktion eines Quantencomputers mit einer ausreichenden Anzahl von zuverlässig arbeitenden Qubits, die Hardware also, und andererseits die Programmierung eines solchen Computers, die ja ganz anderen Prinzipien folgt als klassische Software.
Bei der Entwicklung der Hardware läuft seit etwa 2015 ein Wettbewerb vieler Player, von Start-ups über Google bis IBM. Und wie üblich bei solchen neuen und unreifen Technologien werden ganz unterschiedliche Ansätze verfolgt.

Die Nutzung solcher experimenteller Maschinen, auch wenn sie in der Cloud zugänglich sind, steht aber fast ausschließlich Forschern und Experten offen. Das QAR-Lab konzentriert sich daher auf die vergleichende Validierung solch unterschiedlicher QC-Architekturen, auf die Entwicklung von Quantensoftware und auf die Lösung real existierender Probleme, um Anwendern einen Migrationspfad anbieten zu können.
Unter Quantensoftware versteht man das breite Spektrum von hardwarenahen QC-Compilern, QC-Schaltkreisen, QC-Algorithmen bis hin zu vollumfänglichen QC-Applikationen. Dazu gehören insbesondere Algorithmen, die wesentliche Merkmale der Quantenmechanik wie Superposition oder Verschränkung bei der Berechnung bzw. dem Lösen von Problemstellungen verwenden, um dann auf Quantencomputern abzulaufen.