Quantencomputing – dieses Potenzial bietet die Technologie

Quantencomputing – eine neue Generation von Rechnern

Computer gibt es bereits seit Beginn des 20. Jahrhunderts und sie sind sowohl im privaten als auch im beruflichen Bereich nicht mehr hinwegzudenken. Ob eine Tabellenkalkulation mit Microsoft Excel, die Erstellung einer Präsentation mit PowerPoint oder einfach eine entspannende Zeit mit aktuellen Games, mit Computern können nicht nur die unterschiedlichsten Aufgaben leichter bewältigt, sondern auch besondere Unterhaltungsmomente erlebt werden.

Als wahrer „Game Changer“ wird das Quantencomputing bezeichnet. Hierbei handelt es sich um eine neue Generation von Computern, die die Prinzipien der Quantenmechanik nutzt, um komplexe Berechnungen durchzuführen und große Datenmengen zu verarbeiten. Doch was ist Quantencomputing und welche Bedeutung kommt der neuen Technologie zu? In diesem Blogbeitrag werden Sie es erfahren und damit einen Blick in die Zukunft werfen.

Wie unterscheiden sich Quantencomputer von klassischen Computern?

Quantencomputer führen Berechnungen basierend auf der Wahrscheinlichkeit des Zustands eines Objekts durch, bevor es tatsächlich gemessen wird. Klassische Computer führen logische Operationen anhand der eindeutigen Position eines physikalischen Zustands durch. Ein einzelner Zustand – wie zum Beispiel 1 oder 0, ein oder aus, oben oder unten – wird als Bit bezeichnet.

Beim Quantencomputing verwenden Operationen den Quantenzustand eines Objekts, um ein sogenanntes Qubit zu erzeugen. Diese Zustände sind die undefinierten Eigenschaften eines Objekts, wie beispielsweise der Spin eines Elektrons oder die Polarisation eines Photons. Anstatt eine klare Position zu haben, treten ungemessene Quantenzustände in einer gemischten „Überlagerung“ auf, ähnlich einer Münze, die sich durch die Luft dreht, bevor sie in Ihrer Hand landet.

Letztendlich handelt es sich beim Quantencomputing um eine Technologie, bei der anstelle von elektrischen Zuständen die quantenmechanischen Zustände maßgeblich sind. Prinzipien der Quantenmechanik wie Interferenz, Überlagerung und Verschränkung spielen eine wichtige Rolle.

Allerdings müssen Quantencomputer aufwendig bis in die Nähe des absoluten Nullpunkts gekühlt werden. Daher werden sie wahrscheinlich auch in Zukunft eher in speziellen Rechenzentren und Laboren zu Hause sein. Tägliche Aufgaben wie Textverarbeitung und Videobearbeitung werden vermutlich unverändert und noch lange Zeit von klassischen Computern bewältigt.

Quantencomputing – eine Technologie mit Revolutionspotenzial

Quantencomputing verspricht, in den kommenden zehn Jahren mehrere Branchen und Bereiche zu revolutionieren, darunter Medizin, maschinelles Lernen, künstliche Intelligenz, Kryptografie, Finanzen und vieles mehr. Neben Regierungen gehören Unternehmen und private Investoren zu den Geldgebern, die ungeheure Summen investieren, um die ultimative Quantenüberlegenheit zu erlangen.

Im Jahr 2019 startete die US-Regierung die „National Quantum Initiative“, die sich auf die Erweiterung des Bereichs Quantencomputer konzentriert. Darüber hinaus stellte die Regierung 1,2 Milliarden US-Dollar bereit, die für die Förderung des Quantenreichs verwendet werden sollten. In ähnlicher Weise treibt China seine Quantenträume voran, indem es 10 Milliarden US-Dollar in den Bau des „National Laboratory for Quantum Information Sciences“ investiert.

Da Quantencomputer der Realität immer näher kommen, ist es entscheidend, ihre Bedeutung zu verstehen. Schauen wir uns die Gründe, die der neuen Technologie ein wachsendes Interesse bescheren, mal etwas näher an.

Komplexe Probleme – ein wichtiger Aspekt

Die Probleme, mit denen die Erdbewohner heute konfrontiert sind, sind viel komplizierter als das, was fortschrittliche Technologie lösen kann. Solche Probleme sind sehr komplex, was bedeutet, dass die heutigen Supercomputer Jahrhunderte brauchen würden, um diese Probleme zu lösen.

Einige Beispiele sind moderne Cybersicherheitsprobleme, Probleme im Zusammenhang mit der Luft- und Raumfahrt, molekulare Studien und einiges mehr. Ein weiteres Beispiel ist mit der Proteinmodellierung verbunden. Während der COVID-19-Pandemie bemühte sich die wissenschaftliche Gemeinschaft darum, ein Computertool zu finden, das ein einzelnes Protein in kürzerer Zeit modellieren und deaktivieren kann. Wenn ein solches Instrument verfügbar gewesen wäre, hätte es die Welt vor einer globalen Gesundheitskrise retten können.

Heute ist der Energieverbrauch ein weiterer kritischer Bereich. Mit dem exponentiellen Wachstum der Weltbevölkerung ist der Energieverbrauch deutlich gestiegen. Dies hat ein Problem der “Energiequellenoptimierung” geschaffen, das für aktuelle Computer schwer zu bewältigen ist. Mit dem Vordringen der Quantencomputer gibt es in der Computerwelt einen Silberstreif am Horizont, dass man endlich solch komplexe Probleme lösen kann.

Quantencomputer bieten kommerzielles Potenzial

Lassen Sie uns ein Beispiel einer Anwendung verstehen, von der Landwirte, landwirtschaftliche Unternehmen und verwandte Industrien profitieren.

Es ist eine bekannte Tatsache, dass etwa 50 % der weltweiten Nahrungsmittelproduktion von Ammoniakdüngemitteln abhängig sind. Dieses Ammoniak wird durch einen chemischen Prozess namens „Haber-Bosch-Verfahren“ hergestellt, der hohe Temperaturen und hohen Druck erfordert. Die physikalischen Einschränkungen des Prozesses sind etwas schwierig zu bewältigen, da sie einen erheblichen Energieverbrauch verursachen, was eines der großen Probleme darstellt.

Hier kommen Quantencomputer ins Spiel. Es wurde bereits festgestellt, dass unser Planet mit Hilfe eines Enzyms namens „Nitrogenase“ Ammoniakdünger bei Standardtemperatur und -druck produzieren kann. Dieses Enzym wird jedoch durch ein kompliziertes katalytisches Verfahren entwickelt, mit dem heutige Computer nicht umgehen können. Der Prozess umfasst molekulare Modellierung, bei der die Nitrogenase kartiert wird, indem der Weg durch fast 1.000 Kohlenstoffatome zurückgelegt wird. Somit begrenzt es die industrielle Produktion von Nitrogenase, was sich auf die industrielle Gesamtproduktion von Düngemitteln auf Ammoniakbasis auswirkt.

Hier können Quantencomputer Abhilfe schaffen, indem sie molekulare Modelle der Nitrogenase erstellen. Die Berechnung kann weitere Moleküle entwerfen, die dem Enzym ähnlich sind, und dazu beitragen, kostengünstiges und energiearmes Ammoniak herzustellen. Mit Quantencomputern wären Düngemittel auf Ammoniakbasis leicht verfügbar und das zu erschwinglichen Preisen.

Nichtlineare Probleme – für Quantencomputer kein Problem

Klassisches Rechnen eignet sich am besten für lineare Probleme, bei denen sequentielle Operationen im Vordergrund stehen. Klassische Computersysteme basieren auf den Grundlagen der linearen Mathematik, die lineare Gleichungen und Transformationseigenschaften untersucht.

Die Natur ist jedoch grundsätzlich nichtlinear, mit einer Prise Unsicherheit. Solche nichtlinearen Probleme werden von klassischen Systemen nicht gut angegangen. Quantencomputer können jedoch nichtlineare Daten verarbeiten. Beispiele für solche nichtlinearen Probleme sind die Optimierung des Verkehrsgleichgewichts, die Wahrscheinlichkeit einer Mondlandung und vergleichbares.

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