Quantencomputer sind eine ganz neue Art von Computern, die viel mehr können als normale Computer - wenn man richtig mit ihnen umzugehen weiß. Um einen wichtigen Unterschied zu „normalen” Computern zu zeigen, veranschaulicht das Exponat das Prinzip der sogenannten Superposition.

Ein normaler Computer stellt Zahlen mithilfe von Bits dar, die entweder den Wert 0 oder 1 annehmen können. In einem Quantencomputer gibt es statt der Bits sogenannte Qubits, die im Inneren des Computers sowohl den Wert 0 als auch 1 gleichzeitig besitzen können. Dies hat zur Folge, dass Quantencomputer Rechnungen mit Millionen Zahlen zur gleichen Zeit ausführen können, während ein herkömmlicher Rechner immer nur mit einer Zahl gleichzeitig beschäftigt sein kann.

Fast wie Magie

Ein Quantencomputer hingegen ist wie eine magische Münze, die sowohl eine der Seiten, aber auch einen Zustand dazwischen, z. B. halb Tony und halb Samantha zeigen kann. Beide sind auf der Münze in unserem Exponat zu sehen, wenn du sie nicht durch den Filter betrachtest.

Dieser Zustand zwischen 0 und 1 wird als Superposition bezeichnet. Ein Qubit kann also in einem Superpositions-Zustand sein und sowohl den Wert 0 als auch den Wert 1 gleichzeitig repräsentieren. Erst wenn wir das Qubit messen, wird es in einen bestimmten Zustand kollabieren und entweder den Wert 0 oder den Wert 1 oder eben die Gestalt von Samantha oder Tony annehmen. Wenn du durch den Filter unseres Exponats schaust und daran drehst, siehst du genau das: Nur einer der beiden ist sichtbar.

Das Superhirn

Die Superposition ermöglicht es Quantencomputern, viele verschiedene Berechnungen parallel durchzuführen. Stell dir vor, du könntest beispielsweise gleichzeitig ganz viele Zahlenpaare addieren und alle Ergebnisse sehen, ohne jede Aufgabe einzeln bearbeiten zu müssen. Das ist die Art von Leistung, die Superposition im Quantencomputing bietet.

Es ist wichtig anzumerken, dass Superposition ein komplexes Konzept ist, das nicht leicht zu visualisieren ist. Die Quantenphysik, auf der das Quantencomputing basiert, ist eine anspruchsvolle Theorie. Aber im Grunde bedeutet Superposition einfach, dass Quantenbits mehrere Zustände gleichzeitig annehmen können und nicht auf eine einzige Zahl beschränkt sind.

In der derzeitigen Phase der Quanteninformatik sind große Simulationen auf Quantensystemen noch nicht möglich. Neue Forschungsergebnisse zeigen aber, dass Quantensysteme spezielle Rechenwege erlauben, die auf herkömmlicher Hardware nicht gut funktionieren, aber auf Quantencomputern sehr effizient sind.

Unser Ziel ist es, diesen neuen Methoden in Simulationen zu integrieren und SimTech zu einem der ersten Forschungszentren für Simulationswissenschaft zu machen, die den Einsatz von Quantencomputern erforschen.

Neue Möglichkeiten - neue Herausforderungen

Algorithmen für Simulationen auf Hochleistungsrechnern sind auf aktuelle Hardware optimiert. Aber Quantencomputing ist anders, weil es die Effizienz von Standardoperationen stark verändert. Einige komplexe Probleme können auf Quantensystemen viel schneller oder genauer gelöst werden. Das stellt bewährte Verfahren für die Algorithmenentwicklung infrage.

Quantencomputer arbeiten mit Qubits. Qubits können im Vergleich zu den herkömmlichen Bits die Informationen 0 und 1 gleichzeitig speichern. D. h.: Qubits existieren in einer Überlagerung dieser beiden Werte – die Wissenschaft nennt dies eine „Superposition“. Je mehr Zahlen dargestellt werden sollen, desto vorteilhafter sind Qubits. Mit einem Qubit kann man zwei Zahlen gleichzeitig darstellen (0 und 1), mit zwei Qubits vier Zahlen (00, 01, 10, 11), mit 10 Qubits schon 1024 Zahlen.

Zudem können Qubits miteinander verschränkt sein, sodass sich der Zustand mehrerer Qubits gleichzeitig ändert, wenn einer von ihnen verändert wird. Das ist vergleichbar mit einem Klavier, bei dem mehrere Tasten verbunden sind und mehrere Töne gleichzeitig erklingen, wenn eine einzelne Taste gedrückt wird.

Vorteile durch Anpassung

Um Aufgaben auf Quantencomputern effektiv zu lösen, müssen wir unsere Rechenwege an die Eigenschaften der Qubits anpassen. Hierbei zeigt sich, dass Quantencomputer Vorteile in Bereichen wie Kryptografie, Quanten-physik und Quantenchemie bieten.

In der Kryptografie ist der Vorteil der Quantencomputer recht klar. Wir können hier in einem Rechenschritt sehr viel mehr (2n mal mehr bei n Qubits)Schlüssel auf einmal ausprobieren als auf einem klassischen Computer. Auch kann man sich gut vorstellen, dass man Probleme aus der Quantenphysik oder der Quantenchemie gut auf Quantencomputern  simulieren kann,da diese ja auf genau denselben physikalischen Grundprinzipien beruhen.

Wollen wir aber nun Dinge wie das Lösen von großen Gleichungssystemen, beispielsweise für Strömungsgeschwindigkeiten in der Umgebung einer Wärmepumpe durchführen, müssen wir drei Fragen beantworten:

1. Wie müssen wir unsere Rechenabfolgen oder sogar den ganzen Rechenweg ändern, um die Eigenschaften der Qubits, zwei Zustände gleichzeitig zu bearbeiten und verschränkt zu sein, ausnutzen zu können?
2. Wie bekommen wir unsere Eingabedaten in den Quantencomputer und das berechnete Ergebnis wieder heraus?
3. Wie gehen wir damit um, dass Qubits instabil sind, d. h. mit der Zeit ihre Zustände ändern, auch ohne dass wir das aktiv durch Rechenoperationen tun?

Bei Frage 2 wissen wir, dass wir sehr oft messen müssen, um alle Ergebnisse zu erhalten, da bei jedem Messen die Qubits in einen der Zustände 0 oder 1 kollabieren, wir also jedes Mal nur eine der vielen vorhandenen Zahlen messen können.

Deshalb denken wir darüber nach, welche Teilaufgaben unserer gesamten Berechnungen sich überhaupt für Quantencomputer eignen, dort schneller ausführbar sind als auf einem klassischen Computer und wie wir an sichere, nicht rein zufällige Ergebnisse kommen. Schließlich würde man schon gern sicher wissen, ob die filigran konstruierte Brücke auch hält, ob das Flugzeug sicher fliegt, ob die Vorhersage für die Haltbarkeit eines Implantats zutrifft oder ob einem das die instabilen Qubits nur vorgaukeln.