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Definition Was ist ein Quantencomputer?

Von Numi 2 min Lesedauer

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Die klassische Computertechnologie mit Transistoren stößt in einem zunehmenden Maße an ihre Grenzen. Quantencomputer stellen aufgrund ihrer Funktionsweise eine Möglichkeit dar, diese Grenzen zu überschreiten.

Grundlagenwissen zum IT-Business(Bild: © adiruch na chiangmai - Fotolia.com)
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Bei einem Quantencomputer stellt das Quantenbit (Qubit) die kleinste Einheit dar. Im Gegensatz zum Bit, das entweder den Zustand 0 oder 1 annimmt, sind bei Qubits mehrere Zustände gleichzeitig möglich. Dieses Phänomen heißt Superposition. Erst wenn ein Quantenbit beobachtet oder gemessen wird, nimmt es einen definierten Zustand ein. Die zweite besondere Eigenschaft der Qubits stellt die Verschränkung dar. Sind Qubits miteinander verschränkt, übernimmt ein Qubit automatisch den Zustand eines Partnerqubits. Durch das Ablesen des Zustands eines Qubits erfährt man automatisch den aktuellen Zustand des anderen. Die Wirkung der Verschränkung ist entfernungsunabhängig.

Quantencomputer: Potenziale und Einsatzmöglichkeiten

Quantencomputer eignen sich hervorragend zur Lösung von Problemen, die selbst für Supercomputer zu groß oder zu komplex sind. Sie lösen diese Probleme nicht nur schneller, sondern sind auch effizienter in Bezug auf Energieverbrauch und Emissionen. Zudem skalieren Quantencomputer exponentiell, wenn die Anzahl der Qubits zunimmt. Das ist eine beträchtliche Leistungssteigerung gegenüber klassischen Computern, die linear skalieren.

Erkennbare Vorteile gegenüber herkömmlichen Ansätzen bietet das Quantencomputing, wenn es darum geht, komplexe reale Phänomene zu simulieren oder zu modellieren. Zum Beispiel bei der Entdeckung von Arzneimitteln, der geophysikalischen Analyse bei der Öl- und Gasexploration, bei Wetter- und Finanzprognosen sowie in der Chemie- und Materialwissenschaft.

Bei einer Weiterentwicklung von Quantencomputern sind vor allem Auswirkungen auf die Kryptografie zu erwarten. Viele derzeit gängige Verschlüsselungsmethoden könnte ein Quantencomputer aufgrund seiner Leistungsfähigkeit durchbrechen. Deswegen müssten quantenresistente Verschlüsselungsmethoden entwickelt werden.

Typen von Quantencomputern

Quantencomputing lässt sich durch mehrere Methoden umsetzen. Ein wichtiger Typ von Quantencomputer sind Quantenannealer. Hierbei werden die Energieniveaus des Quantensystems genutzt. Ihre Stärke liegt in der Lösung von Optimierungsproblemen. Ein weiterer wichtiger Typ sind gatterbasierte Quantencomputer. Sie verwenden Gatter, um Berechnungen durchzuführen. Ein wesentlicher Unterschied zu Logikgattern besteht darin, dass bei Quantengattern alle Operationen gleichzeitig durchgeführt werden, nicht nacheinander. Für diese Art von Quantencomputer gibt es mehrere Technologien:

  • Ionenfallen
  • Neutralatom-Qubits
  • Photonische Qubits
  • Supraleitende Qubits
  • Topologische Qubits
  • Quantenpunkte

Die größten Herausforderungen bei Umsetzung der Quantentechnologie

Quantencomputer nutzen eine Technologie, die noch in der Entwicklung begriffen ist. Zu den wichtigsten Herausforderungen gehört, eine ausreichend hohe Anzahl von Qubits zur Verfügung zu stellen und die Fehleranfälligkeit zu reduzieren. Die einzelnen Technologien weisen Schwächen auf, die es zu verbessern gilt. Dabei kann es sich beispielsweise um Skalierbarkeits- oder Effizienzprobleme handeln.

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