Ein Prozessor in einem klassischen Computer arbietet mit Strom. Der Strom fließt durch Drähe zu zu Lichtschaltern (Transitoren). Diese Transitoren bilden Schaltungen, welche binäre Eingabe logisch verküpft. Klassiche Computer rechnen binär also in 0 (Strom aus) und 1 (Strom fließt)
1 AND 1 –> 1 oder 1 AND 0 –> 0
Quantenchips nutzen die Quantenmechanik aus, um Berechnungen durchzuführen. Dafür verwende sie kein Strom und nutzen auch keine Schaltungen. Quantenchips arbeiten mit einzelnen geladenen Atomen, die sehr viele Zustände (Werte) annehmen können (mehr als nur 0 und 1).
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
Die Forscher arbeiten daran, die Atome möglichst lange rechenfähig zu halten, da diese einfach von der Umwelt gestört werden können. Ein neuer Ansatz in 2025 ist es die Chips aus Indiumarsenid und Aluminium herzustellen, um das System stabiler zu halten. Diese Chips ermöglichen es, leichter Qubits zu lesen.
Auslesen eines Qubits (Ausgabe)
Wenn der Quantencomputer 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.
Quantencomputer sind in 2025 immer noch Teil der Grundlagenforschung. Wir sehen Entwicklungsschritte, welche die Techkonzerne uns als Durchbruch verkaufen. Das Ziel ist es immer mehr Qubits miteinander zu verschränken, um größere Rechnungen durchzuführen. Auf der anderen Seite müssen die Auslese-Fehler reduziert werden und die Qubits stabil gehalten werden.
5 Potenziale der Quantencomputer
Quantencomputer sollen nicht die gleichen Aufgaben wie klassische Computer lösen. Klassische Computer haben immer noch ihre Berechtigung, wenn der gute Quantencomputer verfügbar sind. Quantencomputer lösen die Probleme, woran klassiche Computer scheitern.
#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
Quantencomputer könnten aus der chemischen Struktur die Eigenschaften vorhersagen. Damit könnten Mediziner Polymeren entwickeln, die wie Antibiotika arbeiten. Ernest Duchesne entdeckte per Zufall die Antibiotika und nicht durch extakte Berchnungen.
#2 Knacken von kryptografischen Algorithmen wie RSA
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 zuverlässig 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 Quantenprozessor im Smartphone?
Wann erscheint der AMD QP4000 Quantenprozessor für meinen Desktop Computer?
Die Antwort: Wahrscheinlich nie!
Quantencomputer berechnen andere Probleme, welche Du zu Hause in der Regel nicht berechnen musst. Du kannst die Ressorucen in einem Serverraum nutzen, welcher auf der anderen Seite der Welt steht. Derzeit brauchen viele Quantencomputer viel Strom und eine gute Kühlung. Auf der anderen Seite war der Großvater des klassichen Computers, der Electronic Numerical Integrator and Computer (ENIAC) , auch ein unbrauchbares Monster, der einen Raum füllte. Die Zukunft wird uns Antworten geben.
Schattenseiten der Quantencomputer Entwicklung?
Jeder Hacker würde am liebsten einen großen funktionierenden Quantencomputer in seinem / ihrem Keller stehen haben.
Eine mathematische Hin-Operation ist schnell berechenbar: 13 × 11 = ? -> 143
Während die Umkehr-Operation deutlich aufwendiger ist: Was ist den 143 = Faktor1 × Faktor2 ?
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 2025?
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 oder Games- Quantencomputer sind anders. Quantencomputer dienen einen anderen Verwendungszweck.
Unsere klassischen PCs arbeiten mit einer x86 order der ARM-Rechnerarchitektur, die Probleme in binäre Operationen auflösen.
Programmieren mit Quantenschaltkreisen
Programmierer 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# von Microsoft
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.
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„… die Atome möglichst lange rechen-fähig zu halten“ ?
Daraus folgt ein grundsätzliches Problem für die Quantencomputer Benutzungstechnik! Sie begrenzt die Mächtigkeit und damit die so häufig geradezu mythisch verklärte Rechenpower!
Möglicherweise werden in Bälde Gesetzmäßigkeiten struktureller Art aufgestellt, die auf die grundsätzliche Begrenzung der künftigen Rechen Power von Quantencomputer hinweisen.
„… die Atome möglichst lange rechen-fähig zu halten“ ?
Daraus folgt ein grundsätzliches Problem für die Quantencomputer Benutzungstechnik! Sie begrenzt die Mächtigkeit und damit die so häufig geradezu mythisch verklärte Rechenpower!
Möglicherweise werden in Bälde Gesetzmäßigkeiten struktureller Art aufgestellt, die auf die grundsätzliche Begrenzung der künftigen Rechen Power von Quantencomputer hinweisen.
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