Ein Quantencomputer behandelt Informationen quantenmechanisch. Speicherinhalte und Register können mehrere Werte gleichzeitig in Überlagerung erhalten und Befehle wirken sich simultan auf diese Werte aus. Quantencomputer können somit in vielen Wirtschaftsbereichen und Forschungsfeldern Probleme lösen. Beispielsweise könnt mit Hilfe eines Quantencomputers Wechselwirkungen zwischen Molekülen besser simuliert werden, was gerade in der Medikamentenforschung hilfreich ist. Auch in Bezug auf Künstliche Intelligenz und Big Data kann ein Quantencomputer größeren Fortschritt bedeuten.
Der Name Quantencomputer kommt von dem Begriff „Quant“. „Quant“ beschreibt den kleinstmöglichen Wert einer physikalischen Größe. Ein Quant kann nicht geteilt werden, sondern nur als Ganzes erzeugt oder vernichtet werden. Viele Gesetze der Quanten wiedersprechen unseren Alltagserfahrungen und die Welt der Quants ist noch nicht vollkommen erforscht. Das Quant in einem Quantencomputer kann ein geladenes Atom oder eine bestimmte Menge von Elektronen in einem Kreisstrom sein. In Anlehnung an die Bits bei herkömmlichen Computern wird bei Quantencomputern ein Quant als Qubit (Quanten-Bit) bezeichnet. Es ist die kleinstmögliche Speichereinheit und die Grundrecheneinheit der Quantencomputern. Der Unterschied zwischen Bit und Qubit ist, dass ein Bit sich entweder in Zustand 1 oder in Zustand 0 befinden kann. Ein Qubit kann sich hingegen gleichzeitig in Zustand 1 und 0 befinden und auch in unendlich vielen Zuständen dazwischen.
Herausforderung bei der Entwicklung von Quantencomputern ist die Anfällig von Quantenzuständen gegenüber Störungen. Hierbei sind umfangreiche Fehlerkorrekturen nötig. Darüber hinaus müssen die Qubits ruhig gestellt werden und dürfen sich nicht bewegen, damit man sie einfangen und manipulieren kann. Dafür müssen die Forscher:innen die Chips, auf denen Ionenfallen oder Kreisläufe aufgebracht sind, fast auf den absoluten Nullpunkte (-273,15 Grad) herunterkühlen.
Die bisher in der Öffentlichkeit diskutierten Systeme sind von vielfach von IBM, Microsoft und Google und haben ca. 50 Qubits. Die Herausforderung ist zurzeit noch auf höhere Qubit-Zahlen zu erweitern. Zurzeit werden fünf technologische Ansätze in der Forschung zu einem universellen Quantencomputer bearbeitet. Bedarf besteht vor allem im Bereich der Quanteninformation auf Ebene der Software, Algorithmen und Anwendungen. Eng verwandt mit Quantencomputing sind Quantensimulationen, welche auf ein spezielles Problem ausgerichtet sind und nicht universell eingesetzt werden können.
Quantencomputer, die wie heutige Computer frei programmiert werden könnten, um die verschiedensten Aufgaben zu lösen, werden von zahlreichen Forscher:innen frühestens gegen 2030 erwartet. Solange müssen Quantencomputer für spezielle Probleme maßgeschneidert konzipiert werden und mit herkömmlichen Computern kombiniert werden. Beispielsweise die kanadische Firma D-Wave konzipiert schon seit über 10 Jahren derartige Misch-Computer. Hierbei sollen derartige Computer schon bis zu 2048 Qubits enthalten. Diese Systeme haben jedoch keine hohe Flexibilität und werden vor allem in Optimierungsverfahren verwendet.
Weitere Informationen
https://www.bmbf.de/de/was-genau-ist-eigentlich-quantencomputing-10786.html
https://www.quarks.de/technik/faq-so-funktioniert-ein-quantencomputer/