Die neue Technik; die Physik der Quantencomputer (QC)

Was um alles in der Welt ist ein Quantencomputer? Wir wollen diese Technik hier vorstellen. Ein QC (Quantencomputer) hat ein Prozessor, welcher die Gesetze der Quantenmechanik nutzt – und das ist ganz neu. Im Unterschied zum herkömmlichen Computer arbeitet ein Quantencomputer nicht auf der Basis elektrischer Informationen in Form von 1 und 0. Statt dessen werden quantenmechanische Zustände mit Hilfe von QuBits verarbeitet. Und das ist genial – und bahnbrechend neu.

Einen herkömmlichen Computer kennt heute eigentlich jedes Kind. Man muss nicht wissen, wie so ein Gerät funktioniert. Phantastisch ist ein – sogar schon herkömmlicher – Computer aber allemal. Er – der Computer – ist die Hardware. Eben all das, was man anfassen kann, wo man gegen treten kann (sollte man aber nicht tun!). Aber man braucht auch clevere Software, also das BIOS (Basic Input Output System), und das OS (Operating System). Eben all das, was man nicht anfassen kann. Es sind letztlich die Befehle, das Betriebssystem, die Anweisungen, wie in diesen und jenen (Rechen)Fällen vorzugehen ist, um eine Lösung zu finden. Und die Software macht es auch überhaupt erst möglich, mit dem Computer zu interagieren, also z.B. Befehle einzugeben, über die Tastatur, oder die Eingabemaus. Schon heute (2021) können wir sogar per Sprachbefehl einem herkömmlichen Computer umfangreich steuern.

Bits und Bytes – für den (herkömmlichen) Computer

Wenn eine Beleuchtung eingeschaltet ist, kann sie auch ausgeschaltet sein. Von den Zwischenzuständen (gedimmt) mal abgesehen. Also kann diese Situation mit einem Bit und seinen beiden möglichen Zuständen 1 für „Lampe ein“ und 0 für „Lampe aus“ dargestellt werden. Wenn man 8 Bits zusammen fasst, hat man ein Byte. Stellt man sich für diese 8 Bit also 8 Leuchten vor, kann man mit einem Byte schon 256 verschiedene Zustände der 8 Leuchten darstellen. z.B. können alle Leuchten aus sein. Oder alle ein. Oder nur die vierte Leuchte ist eingeschaltet. So gibt es wie erwähnt 256 verschiedene Zustände. Die Z3 war übrigens der erste funktionsfähige Computer und wurde 1941 von Konrad Zuse und Helmut Schreyer gebaut.

Wann gibt es Quantencomputer zu kaufen?

IBM hat im Januar 2019 seinen ersten Quantencomputer auf dem Markt per Miete angeboten, konkret den Quantum System One. Dieses System hat 27 QuBits. Diese Quantencomputer können ganz besonders gut und ganz besonders schnell rechnen. Quasi in Lichtgeschwindigkeit. Aber aktuell nur bei exra für diese Quantencomputer zugeschnittene Rechenaufgaben. Das wird man aber alles noch verbessern. Immer mit der Ruhe! Aktuelle Quantencomputer haben bereits spezielle Rechenaufgaben in wenigen Minuten gelöst. Dafür brauchen die herkömmliche Computer 10000 Jahre. Da lohnt es sich schon, die Sache mit den Quantencomputern, den Qubits, und der Quantenphysik weiter zu erforschen!

Aber wie arbeitet ein Quantencomputer?

Gute Frage. Denn es gibt noch nicht viele Quantencomputer. Darum kann man die nicht mal eben kaufen, und aufmachen, um mal zu schauen, wie so ein Teil von innen aussieht. Und die wenigen sind ziemlich teuer. Ziemlich sehr teuer! Aktuell kostet der obige IBM Quantencomputer eine Monatsmiete von knapp 30.000,- Euro. Fakt ist, das herkömmliche Computer, solche die wir alle kennen, also mit Millionen von Transistoren in sog. Integrierten Schaltkreisen (Prozessoren) Bitinformationen (eben mit Bits) rechnen. Das wird mit Hilfe der bekannten herkömmlichen Physik der (Bau)Teile gemacht. Ein Quantencomputer kann aber nicht nur die bittypischen Zustände 0 und 1, sondern auch alle Zustände dazwischen ermitteln und verarbeiten. Diese Zwischenzustände werden als „Qubits“ bezeichnet. Das ist voll phantastisch! Denn Quantencomputer können mit Ihren Qubits – wenn sie das sollen – deren besondere Eigenschaft ausnutzen. Nämlich die vielen Zwischenzustände verarbeiten. Das ganze bitteschön gleichzeitig, und nicht seriell (nach einander). Die herkömmlichen Computer können mittels der Bits nur 0 oder 1 darstellen. Eine Münze liegt entweder mit der Zahl oder dem Kopf oben. Ein Qubit des Quntencomputer kann jedoch auch – sinnbindlich (aber in echt) – eine geworfene Münze während Ihres Höhen- und Abwartsfluges, während sie sich dreht, verarbeiten. Er, der QC kann also die Millionen Zwischenzustände der Münze berechnen, obwohl sie noch gar nicht „gelandet“ ist. Das Qubit des QC (Quantencomputer) kennt also nicht nur die klassischen Zustände 0 und 1, sondern noch Millionen weitere Zustände. Finde ich voll gut 🙂

Wie werden die Qubits geschrieben und gelesen?

Üblicherweise macht man das mit Microwellenstrahlung, oder mit Licht bzw. Lasern. Aber Google arbeitet an einem anderen Arbeitssystem. Dort werden elektrische Impulse genutzt, um die Qubits im Kreis fliegen bzw. fließen zu lassen. Aber auch hier ist Microwellenstrahlung nötig. Andere Forscher arbeiten aber auch an anderen Techniken. Hier wird dann mit Photonen (Lichtteilchen) gearbeitet, welche eine physikalische Umsetzung von Qubits darstellen.

Wie groß ist so ein Quantencomputer?

Bisher noch ziemlich groß. In aller Regel ist der Prozessor, welcher nicht nur die üblichen Bitzustände 0 und 1 wie ein herkömmlicher Computer es kann, mit all seinen Zusatzgeräten und Meßstellen so groß, wie ein ganzes (sehr großes) Zimmer. Aber die Rechenkünstler werden immer kleiner!

Team Monz von der Uni Innsbruck

Ein Team unter Leitung von Thomas Monz von der Universität Innsbruck ist es gerade im Juni/Juli 2021 gelungen, einen Quantencomputer in zwei 19 Zoll Serverracks unter zu bringen. So ein System muss jetzt nicht mehr in großen Industriehallen stehen, oder in Universitätshallen von Forschungseinrichtungen. Sowas passt jetzt auch in einem Rechenzentrum – und leistet dort Enormes! Bei diesem Quantencomputer werden 24 verschränkte Calcium Ionen in einer Magnetfalle als Qubits (also die vielen Zwischenzustände zwischen 0 und 1) verwendet. Diese Qubits werden mit Laser in verschiedene Energiezustände gebracht, was den vielen Nullen und Einsen (den Bits) eines herkömmlichen Siliziumcomputers entspricht. Die beiden Racks sind durch elektrische und optische Leitungen miteinander verbunden.

19 Zoll Quantencomputer, UNI Innsbruck
Team Monz, UNI Innsbruck. Schematischer Aufbau der beiden 19″ Racks des Quantencomputers. Copyright CC BY 4.0
Laut dem Team Monz der UNI Innsbruck arbeitet der modulare Quantencomputer sehr zuverlässig.

Muss das so kalt sein?

Oh ja. Denn bei Quantencomputern wird die sog. Quantenphysik, welche wahrlich völlig anders funktioniert, und nur von wenigen Menschen verstanden und erklärt werden kann, angewandt. Das Ganze funktioniert auch nur bei extremer Kälte. Nämlich beim absoluten Nullpunkt. Und der ist wahrlich ziemlich kalt! Wir reden hier über eine Temperatur, die im Bereich von -273 Grad Celsius liegen muss. Was für Lebewesen also ziemlich kalt und tödlich ist, ist für Quantencomputer ziemlich gut temperiert und notwendig.

Ein Beispiel zur Nutzung dieser Technik

Dieser IBM Quantencomputer wurde durch unsere Bundeskanzlerin Merkel mit einer entsprechenden Bitte und einer netten Förderung für diese Technik nach Baden-Württemberg in eine Industriehalle in der Nähe von Ehningen Nahe Stuttgart, in das Fraunhofer Institut geholt. Dort soll weiter an dieser Technik geforscht werden. Beispielsweise soll mit Simulationen ermittelt werden, welche chemischen Komponenten in einem Akku sich als „gut“ bewerten lassen – ohne den Akku überhaupt immer erst aufbauen und testen zu müssen. Gute Idee!

Der Zuse Z3 Computer, Infos auf Wikipedia.

Hier kann man eine Anfrage stellen, nach dem IBM Quantencomputer.

Hier der Link zur CC BY 4.0 Lizenz des obigen Bildes der Uni Insbruck (Team Monz).

YT Video, erklärt die Funktionsweise eines Quantencomputer.

Und Quarks kann auch gut Quantencomputer erklären 🙂

Autor: Jürgen B.

IT Fachmann, weltoffener Techniker, für Alternative Energie und E Mobilität.

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