Quantencomputer – the next big thing…

Den Begriff Quantencomputer hat sicher jeder, der sich ein wenig für Computertechnik interessiert, schon mal gehört. Bei Qubit zucken viele aber schon mit den Schultern oder fragen verwirrt: “Q’bert, das war doch mal ein Computerspiel in meiner Jugend.”
Die Antwort ist sogar schon nah dran, denn dieses Spiel aus den Spielhallen der 80er hatte etwas mit diskreten Zuständen und Kopplung von Ereignissen zu tun. Für heutige Verhältnisse ist allerdings unvorstellbar, dass dieses Spiel auf einer CPU mit nur 5 MHz Taktfrequenz lief.

Aber zurück zum Thema. Die heutigen CPUs basieren fast alle auf dem Von-Neumann Architekturen, benannt nach dem Mathematiker John von Neumann. Die Von-Neumann-Architektur basiert auf einem weitgehend linearen Kontrollfluss und ist damit in der Geschwindigkeit durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt, denn schneller kann Strom nun mal nicht durch die Schaltkreise fließen. In den letzten Jahren wird daher versucht, diese Begrenzung durch die Kopplung unzähliger CPUs zu umgehen, womit wir bei den Parallelrechnern wären. Allerdings stößt auch dieser Ansatz mittlerweile an seine Grenzen, wenn die verschiedenen CPUs um gemeinsame Ressourcen konkurrieren. Darüber hinaus eignet sich die Parallelverarbeitung nicht für jedes beliebige Problem.

Nun stehen die Quantencomputer vor der Tür. Sie basieren nicht mehr auf Transistoren und darauf aufbauenden logischen Schaltkreisen, sondern nutzen direkt Ionen, Photonen oder einzelne Elektronen, um Zustand zu repräsentieren. Allen diesen ist gemein, dass sie den Gesetzen der Quantenmechanik gehorchen, was bedeutet, dass ihre Zustände nicht nur Null oder Eins (entsprechend nicht angeregt oder angeregt), sondern auch ein unbestimmten Zustand einnehmen können. Diese Tatsache ist ohne umfassende Physikkenntnisse schwer zu verstehen, aber von dem Gedankenexperiment Schrödingers Katze hat vielleicht der ein oder andere schon mal gehört. Ein Quantencomputer baut nun auf einer Gruppe solcher quantenmechanischer Elemente, genannt Qubits (Abk. für Quantenbits), auf. Die Schaltung eines Qubits von Null auf Eins findet i.d.R. mit Laserstrahlen statt. Die dabei eingestrahlte Photonenenergie hebt das Qubit auf ein höheres Energieniveau. Zum Bau eines Quantencomputers benötigt man aber noch einen anderen quantenmechanischen Effekt, die sogenannte Quantenverschränkung, die dazu genutzt wird, um zwei oder mehr Qubits miteinander zu koppeln. Das ist aber ein so interessantes und gleichzeitig so komplexes und umfangreiches Thema, dass ich  der Quantenverschränkung einen eigenen Beitrag gewidmet habe.