Funktionsweise und Potenziale der Technologie

Was kann Quantencomputing?

Quantencomputer versprechen enorme Rechenleistung und bieten großes Potenzial für Gesellschaft und Wirtschaft. Sie könnten etwa dazu eingesetzt werden, neue medikamentöse Wirkstoffe zu finden. Doch wie ist der aktuelle Stand der Technologie? Dr. Marco Roth vom Fraunhofer IPA gibt einen Überblick.

(Bild: ©John-D/stock.adobe.com)

Die Digitalisierung durchdringt sowohl gesellschaftliche als auch professionelle Prozesse bis hin zur Transformation ganzer Industriezweige. Möglich wird der rasante Fortschritt dieser digitalen Revolution durch stets wachsende Rechenleistung. Dieses Wachstum wird zu einem großen Teil durch das Moor’sche Gesetz gewährleistet. Es besagt, dass sich die Anzahl an Transistoren auf gängigen Chips etwa alle zwei Jahre verdoppelt. Ein wesentlicher Treiber dieser Beobachtung, die oft auch als selbsterfüllende Prophezeiung betrachtet wird, ist die Miniaturisierung elektrischer Schaltkreise. Die Größe von Komponenten in gängigen Transistoren beläuft sich heute auf nur noch wenige Nanometer. Dies wirft die Frage auf, wie weit man diese Verkleinerung noch vorantreiben kann. Die Antwort: Es sind sogar Berechnungen mit Bauteilen auf der Größenskala einzelner Atome möglich, auch wenn sich das zugrundeliegende Rechenparadigma grundlegend von der Art unterscheidet, wie herkömmliche Computer arbeiten.

Die Anfänge des Quantencomputing

Der Unterschied liegt darin begründet, dass die Gesetzmäßigkeiten des Mikrokosmos stark von dem abweichen, was in unserem Alltag erfahrbar ist. Die physikalische Theorie, die das Verhalten von sehr kleinen Systemen beschreibt, ist die Quantenmechanik. Quantencomputing beschreibt die Nutzung quantenmechanischer Systeme zur Durchführung von Berechnungen. Den ersten Popularitätsschub hat das Feld Anfang der 1990er Jahre durch die Entwicklung des Shor-Algorithmus erfahren.

Der Algorithmus erlaubt eine effiziente Zerlegung von Zahlen in ihre Primfaktoren. Was zunächst abstrakt klingt, könnte enorme realweltliche Auswirkungen haben, da eine Reihe der gängigen Kryoptographiemethoden in der IT wie z.B. Rivest-Shamir-Adleman (RSA) auf der Annahme basieren, dass es keinen Algorithmus gibt, der die Faktorisierung in polynomischer Laufzeit erlaubt. Der Shor-Algorithmus macht aber genau das möglich und stellt daher die bestehende Sicherheitsarchitektur vieler IT-Systeme infrage.

In den folgenden Jahren wurden weitere Algorithmen entdeckt, die einen deutlichen Geschwindigkeitsvorteil gegenüber den besten bekannten Methoden versprechen. Im Idealfall schrumpfen so die Rechenzeiten bestimmter Algorithmen von mehreren Jahren auf einige Tage, was somit potenziell den Zugang zu derzeit unlösbaren Problemen ermöglicht. Heute steht Quantencomputing an der Schwelle von der Grundlagenforschung zur Anwendung. Die Nutzung quantenbasierter Algorithmen birgt großes gesellschaftliches und wirtschaftliches Potenzial.

So kam eine McKinsey-Analyse 2021 zu dem Schluss, dass der Value at Stake durch Quantencomputing allein in den Industriebereichen Chemie, Pharmazeutik, Automotive und Finanzen im Jahr 2035 zwischen 300 und 700 Milliarden US-Dollar betragen könnte. Da es sich dabei um Prognosen handelt, die auf Annahmen über die künftige technologische Entwicklung basieren, sind diese Zahlen aber mit einer großen Unsicherheit behaftet. Konkret könnten Anwendungen wie die Entwicklung von medikamentösen Wirkstoffen, die Optimierung von Warenströmen oder die Konstruktion neuartiger Materialien von Quantencomputing profitieren.

Die Funktionsweise

Doch was genau macht Quantencomputing potenziell so mächtig? In Analogie zum Bit, der kleinsten Informationseinheit für herkömmliche Computer, bezeichnet man das kleinste quantenmechanische System, mit dem man Berechnungen durchführt, als Qubit. Zum Bau eines Qubits können verschiedene physikalische Systeme wie supraleitende Schaltkreise, eingefangene Ionen oder spezielle Diamanten genutzt werden. Qubits sind, anders als Transistoren, auf deren Basis Bits konstruiert werden, keine binären Systeme mit nur zwei exklusiv einnehmbaren Zuständen. Vielmehr können sie in sogenannten quantenmechanischen Superpositionszuständen existieren, in denen sie mehrere Zustände zur gleichen Zeit einnehmen. Ein Qubit kann somit nicht nur in den herkömmlichen Zuständen 0 und 1, sondern auch in einer Mischung aus 0 und 1 gleichzeitig vorliegen. Durch die Verknüpfung mehrerer Qubits erhöht sich die Anzahl an möglichen Zuständen, die simultan eingenommen werden, exponentiell, sodass schon ein Quantencomputer mit ca. 50 Qubits Zustände erzeugen kann, die mit derzeit verfügbaren Hochleistungsrechnern nicht simulierbar sind.

Neben der Größe des Zustandsraums können Quantencomputer auf eine weitere Ressource zurückgreifen, die nur quantenmechanischen Systemen zur Verfügung steht: die Verschränkung. Von Albert Einstein einst skeptisch als spooky action at a distance bezeichnet, ist die Verschränkung längst selbstverständlicher Teil der Quantenmechanik, wie z.B. die Vergabe des Nobelpreises für Physik an die Quantenforscher Alain Aspect, John Clauser und Anton Zeilinger im Jahr 2022 gezeigt hat. Verschränkte Systeme weisen nicht-klassische Korrelationen auf, bei denen die Manipulation eines Teilchens auch über große Entfernungen (einen Kilometer und mehr) Implikationen auf den Zustand eines mit ihm verschränkten Teilchens haben kann.

Das könnte Sie auch interessieren

Vom 22. bis zum 26. April wird Hannover zum Schaufenster für die Industrie. Neben künstlicher Intelligenz sollen insbesondere Produkte und Services für eine nachhaltigere Industrie im Fokus stehen.‣ weiterlesen

Eine Umfrage von Hewlett Packard Enterprise (HPE) unter 400 Führungskräften in Industrie-Unternehmen in Deutschland zeigt, dass zwei Drittel der Befragten den Data Act als Chance wahrnehmen. Der Data Act stieß unter anderem bei Branchenverbänden auf Kritik.‣ weiterlesen

Deutsche Unternehmen nehmen eine zunehmende Bedrohung durch Cyber-Angriffe wahr. Das zeigt eine aktuelle Umfrage vom Markt- und Meinungsforschungsinstitut YouGov im Auftrag von 1&1 Versatel, an der mehr als 1.000 Unternehmensentscheider teilnahmen.‣ weiterlesen

Carbon Management-Technologien stehen im Fokus, um CO2-Emissionen zu reduzieren und zu managen. Die Rolle des Maschinenbaus und mögliche Entwicklungspfade betrachtet eine neue Studie des VDMA Competence Center Future Business.‣ weiterlesen

Laut einer Studie der Unternehmensberatung Bain & Company könnten Unternehmen ihre Produktivität durch digitale Tools, Industrie 4.0-Technologien und Nachhaltigkeitsmaßnahmen steigern. Deren Implementierung von folgt oft jedoch keiner konzertierten Strategie.‣ weiterlesen

Hohe Geschwindigkeit und hohe Erkennungsraten sind die Anforderungen an die Qualitätskontrolle in der Verpackungsbranche. Wie diese Anforderungen erreicht werden können, zeigt das Unternehmen Inndeo mit einem Automatisierungssystem auf Basis von industrieller Bildverarbeitung und Deep Learning.‣ weiterlesen

Jeder zweite Betrieb investiert laut einer Betriebsräte-Befragung der IG Metall zu wenig am Standort. Demnach verfügen rund 48 Prozent der Unternehmen über eine Transformationsstrategie. Zudem sehen die Betriebsräte ein erhöhtes Risiko für Verlagerungen.‣ weiterlesen

Ziel des neuen VDMA-Forums Manufacturing-X ist es, der zunehmenden Bedeutung von Datenräumen als Basis für neue, digitale Geschäftsmodelle Rechnung zu tragen. Wie der Verband mitteilt, soll das Forum auf dem aufbauen, was in der letzten Dekade durch das VDMA-Forum Industrie 4.0 erarbeitet wurde. ‣ weiterlesen

Ob es sich lohnt, ältere Maschinen mit neuen Sensoren auszustatten, ist oft nicht klar. Im Projekt 'DiReProFit' wollen Forschende dieses Problem mit künstlicher Intelligenz zu lösen.‣ weiterlesen

Wie kann eine Maschine lernen, sich in unserer Lebenswelt visuell zu orientieren? Mit dieser Frage setzen sich die Wissenschaftler am Deutschen Forschungsinstitut für Künstliche Intelligenz (DFKI) aktuell auseinander – und entwickeln Lösungen.‣ weiterlesen

Die seit 2020 geltende staatliche Forschungszulage etabliert sich im deutschen Maschinen- und Anlagenbau mehr und mehr als Instrument der Forschungsförderung. Ein wachsender Anteil der Unternehmen nutzt die Forschungszulage. Besonders geschätzt werden die verbesserten Finanzierungsmöglichkeiten sowie der erleichterte Zugang zur staatlichen Förderung von Forschung und Entwicklung (FuE).‣ weiterlesen