Quantencomputer einfach erklärt > OHNE Vorwissen [2021]

Quantencomputer - Coding Lab Steffen Lippke

Quantencomputer einfach erklärt? Geht das ohne Vorwissen?

Ja! Dieser Beitrag soll Dir die neue Generation der Computer näherbringen.

… Du brauchst keinen Doktor in Physik oder Mathe für die folgende Erklärung:

Beginnen wir!

Quantencomputer einfach erklärt – Quanten?

00 Quantencomputer zum Testen - Coding Lab Quantencomputer einfach erklärt
00 Quantencomputer zum Testen – Coding Lab Quantencomputer einfach erklärt

Bis ins 18. Jahrhundert haben die Wissenschaftler angenommen, dass Atome (z. B. Wasserstoff-Atome) die kleinste Einheit im Universum ist.

Der Wissenschaftler und Physiker Max Plank hat im Jahr 1900 mit der Quantentheorie ein neues Kapitel eröffnet: Atome bestehen aus den Quanten.

Bei Atomen reden Wissenschaftler von Teilchen oder Materie. Quanten können Teichen (Materie) und Energiebündel (Licht) sein.

Steffen Lippke (vereinfacht)

Was hat das mit Computern zu tun, die 0 und 1 verrechnen?

Quanten und Computer = Quantencomputer?

Wenn die Medien von „Quantencomputern“ reden, sind die Quanten-Prozessoren gemeint. Ein Prozessor in einem klassischen Computer nutzt programmierbare „Lichtschaltern“ (0 = Licht aus, 1 = Licht ein). Quantencomputer haben keinen Datenspeicher oder Arbeitsspeicher. Um die Prozesse in einem Quantencomputer zu steuern sind externe klassische Computer notwendig.

Quantenprozessoren arbeiten mit einzelnen geladenen Atomen, die sehr viele Zustände (Werte) annehmen können (mehr als nur 0 und 1).

Steffen Lippke

Das Rechnen funktioniert über eine „Verschränkung“ von Atomen.  Eine Verschränkung von Atomen ist eine wohldefinierte Wechselwirkung von zwei Atomen. Wenn zwei Wasserstoffatomen aufeinanderprallen, reden die Forscher davon, dass zwei Atome „wechselwirken“.

Ein klassischer Computer arbeitet nach dem Eingabe-Verarbeitungs-Ausgabeprinzip (EVA). Bei Quantenprozessoren sieht das wie folgt aus:

Schreiben auf einen Qubit (Eingabe)

Ein gezielter Laserimpuls (Energieportion) schreibt eine 0 oder 1 auf einen Qubit, um mit diesen zu rechnen. Die Forscher schalten einen Laser für 10 Mikrosekunden (sehr kurz) an, um ein nicht angeregtes Atom „0“ zu einem angeregten Atom „1“ zu bringen.

Stelle Dir vor, Du bringst ein Stück Eisen im Feuer zu glühen (anregen). Wenige Minuten danach glüht das Eisen weiter, bevor es wieder in den normalen Zustand zurückkehrt (un-angeregt).

Die Programmierer haben wenig Zeit, um zu rechnen:

  • 1 Sekunde bleibt das Atom in einem angeregten Zustand
  • 1/10 der Sekunde verbleibt das Atom in der Superposition (= verfügbare Rechenzeit)
  • 100 Mikrosekunden braucht eine Operation auf den Atomen
  • = 1000 Operationen pro Rechenzeit
02 Quantom Dev Kit - Coding Lab Wie funktioniert ein Quantencomputer
02 Quantom Dev Kit – Coding Lab Wie funktioniert ein Quantencomputer

Die Forscher arbeiten daran, die Atome möglichst lange rechen-fähig zu halten (siehe Abschnitt: Quantencomputer für die breite Masse?).

Auslesen eines Qubits (Ausgabe)

Wenn der Qubit „beschrieben“ wurde und gerechnet hat, möchte der Forscher das Ergebnis auslesen.

Weil der Qubits empfindlich sind, kann das Auslesen das Auslese-Ergebnis verändern. Ein Magnet kann den Qubit „schonend“ auslesen ohne das Ergebnis zu verfälschen. Diese Methode ist immer noch stark fehleranfällig und ungenau. Die Forscher arbeiten an besseren Methoden.

5 Potenziale der Quanten-Computer

#1 Simulation von Molekülen für die Medizin

Seit Jahrhunderten arbeiten Chemiker und Mediziner nach dem Trail-and-Error-Prinzip. Die Forscher können aus einer chemischen Struktur nur sehr grobe Eigenschaften ableiten. Kein klassischer Computer kann ein Medizinprodukt „berechnen“ – die Forscher müssen einfach vieles ausprobieren bis diese etwas Brauchbares finden.

03 Trail and Error in der Medizin - Coding Lab Wie funktioniert ein Quantencomputer
03 Trail and Error in der Medizin – Coding Lab Wie funktioniert ein Quantencomputer

Quantencomputer könnten aus deine chemische Struktur die Eigenschaften vorhersagen. Damit könnten Mediziner Polymeren entwickeln, die wie Antibiotika arbeiten. Ernest Duchesne entdeckte per Zufall die Antibiotika.

#2 Knacken von kryptografischen Algorithmen wie RSA

Sichere TSL Zertifikate sind bald Vergangenheit
Sichere TSL Zertifikate sind bald Vergangenheit

Quantencomputer können Festplatten, Bitcoin-Depots und Computer knacken, deren Passwörter nicht mehr bekannt sind.  Kryptografen haben neuartige Methoden entwickelt, um Dokumente sicher zu verschlüsseln, wenn Quantencomputer TSL zunichtemachen.

#3 Schnelle Suchalgorithmen

Big, big, big, big Data! Wie finde ich schnell meinen Datensatz in dem Datentopf? Quantencomputer könnten schneller den gewünschten Datensatz in einem Datenmeer finden.

#4 Berechnung des Wetters

Wettermodelle und -simulationen sind aufwendig, ungenau und teuer. Quantencomputer könnten bessere Vorhersagemodellen erstellen. Unsere heutigen Computerfarmen sagen das Wetter im Zeitraum von 72 Stunden grob zu verlässig vorher.

#5 Cloud-Computing für harte Nüsse

Die Informatik kämpft bis zum heutigen Tag mit einigen Probleme, die ein klassischer Computer nur aufwendig oder gar nicht lösen kann. Quantenrechner sind bei gewissen Aufgaben den klassischen Computern überlegen.

Ist Dein nächster Computer ein Quantencomputer?

Wann habe ich der neuen Snapdragon QP2050 Quanten-Prozessor im Smartphone?

Wann erscheint der AMD QP4000 Quanten-Prozessor für meinen Desktop Computer?

Die Antwort: Wahrscheinlich nie!

Steffen Lippke (Vermutung)

Warum? Die Herausforderung der Wissenschaftler liegt darin, die Qubits stillzuhalten, um mit diesen rechnen zu können. Wenn Du Dir einen Quanten-Gaming-PC konfigurieren willst, brauchst Du …

  • … eine krasse Kühlung, die den Chip auf wenige Milli-Kelvin (−273,15 Grad Celsius) abkühlt. Starke Kühlaggregate brauchen Tage, um den Chip abzukühlen.
  • … eine kräftige Vakuumpumpe, die alle Luft aus dem System herauspumpt (bis auf 10^-11 bis 10^-12 Bar Druck).
  • … einen genauen Laser, der eine exakt konstante Lichtfrequenz hat (Linienbreite), um die Qubits zu programmieren.

Der Spaß würde Deine Stromrechnung exponentiell erhöhen und Dir würde das Smartphone an der Hand festfrieren – das ist sehr unschön.

Schattenseiten der Quantencomputer Entwicklung?

Jeder Hacker würde am liebsten einen großen funktionierenden Quantencomputer in seinem / ihrem Keller stehen haben.

Die Sicherheit unserer heutigen Welt basiert auf den asymmetrischen Verschlüsselungsalgorithmen. Diese nutzen einen mathematischen Trick aus:

Eine mathematische Hin-Operation ist schnell berechenbar: 13 × 11 =  ? -> 143

Während die Umkehr-Operation deutlich aufwendiger ist: Was ist den 143 = Faktor1 × Faktor 2 ?

Quantencomputer mit mehreren hundert Qubits können den RSA-Algorithmus knacken, indem sie die Schlüssel wenigen Sekunden faktorieren.

Alle Verschlüsselungsimplementierungen, die auf RSA basieren, sind wertlos, wenn die Quantencomputer leistungsfähig wird. Die Kryptografen habe bereits eine Post-Quanten-Verschlüsselung entwickelt.

Wie weit ist die Forschung Anfang 2021?

Die Forscher wollen möglich viele Atome miteinander zu verschränken.

Die Superposition der Atome ist extrem instabil. Unsere heutige Ingenieur-Kunst scheitert aus verschiedenen Gründen. Die Kühlaggregate erreichen nicht den absoluten Nullpunkt und in der Vakuumröhre verbleiben immer noch einzelne Luftatome, die das Auslesen und Programmieren stören.

Office, Gaming und Co auf Quantencomputern?

Ein Quantencomputer kann keine normalen Programme ausführen wie Outlook, Word, GTA oder Cyberpunk.

Quantencomputer sind anders. Quantencomputer dienen einen anderen Verwendungszweck.

Steffen Lippke

Unsere klassischen PCs arbeiten mit einer x86 bzw. ab 2020 häufiger mit einer ARM-Rechnerarchitektur, die nicht mit Quanten vergleichbar ist.

Programmieren mit Quantenschaltkreisen

Programmiere erschaffen mit der Superpostion der Quanten Quanten-„Schaltkreise“, mit denen der Chip-Operationen ausführen kann. Die Programmierer arbeiten nicht mit JavaScript, Java oder C, sondern arbeiten mit Q# oder Qukit.

01 Q Sharp von Microsoft - Coding Lab Quantencomputer einfach erklärt
01 Q# von Microsoft – Coding Lab Quantencomputer einfach erklärt

Q# ist Open Source und nutzt neben den normalen Programmierbefehlen auch Variablentypen, die Qubits repräsentieren.

16 GB RAM simulieren in Q# 30 Qubits. Weil es sich nicht um echte Qubits handelt, sind die Ergebnisse nur als „Beispielwerte“ interpretierbar. Quanten rechnen nicht nur mit 0en und 1en.


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