Alissa Wilms

Doktorandin bei Porsche Digital

Alissa Wilms Porsche Digital With love and data

Quantencomputer - beautiful business in seiner Abstraktion

With Love and Data Podcast Episode #061

Quantencomputer einfach erklärt – beautiful business in seiner Abstraktion

Alissa Wilms war deutsche Schauspielerin und schreibt heute als 25-jährige Physikerin ihre Doktorarbeit über Quantencomputer bei Porsche Digital.

Sie erklärt uns, mit welchen Bereichen sich die Quantenphysik beschäftigt, was ein Quantencomputer alles kann und welche Chancen Quantencomputer bieten.

Inhalt

1 | Was ist Quantenphysik?

2 | Der Unterschied zwischen Bits und Qubits

3 | Wie genau kann man sich einen Quantencomputer vorstellen?

4 | So leistungsfähig sind Quantencomputer wirklich

5 | Zukunftsausblick: Quantencomputer als große Chance und gleichzeitiges Risiko

Was ist Quantenphysik?

Die Welt der Quantenphysik muss man sich ganz anders vorstellen, als den Bereich der Physik, den wir aus der Schule kennen: Viel kleiner und mit anderen Regeln, als in der klassischen Physik. 

Tatsächlich begegnen uns die Bestandteile der Quantenphysik täglich: Smartphones, Satelliten, Fernseher, medizinische Diagnostik, chemische oder physikalische Eigenschaften (zum Beispiel elektrische Leitfähigkeit) – diese und noch viele weitere Technologien und Dinge können quantenphysikalisch verstanden werden. 

Alissa sagt, dass wir Menschen die Vorgänge der Quantenphysik rein mathematisch verstehen können. Logisch nachvollziehbar ist sie für uns aber trotzdem nicht.

“[...] das ist ja das Schöne vielleicht auch nochmal an der Mathematik. Wir können mathematisch begreifen, was da quantenmechanisch passiert. Wir können es nur logisch für uns nicht begreifen. Aber mathematisch ist das in sich [...] konsistent. Und das ist ja auch nochmal [...] eine Schönheit. [...] Wir können auf einmal mit einem Tool etwas begreifen, was unserem Hirn als solches nicht zugänglich wäre.”

 

Ihrer Meinung nach sind schon sehr viele an dem Versuch, das alles zu verstehen, verzweifelt. Sie zitiert an dieser Stelle gern Richard Feynman: "No one understands quantum mechanics".

Der Unterschied zwischen Bits und Qubits

Die Quantenphysik beschäftigt sich mit dem Verhalten der kleinsten Teilchen, den sogenannte Quanten. Der Begriff Quant beschreibt dabei den kleinstmöglichen Wert einer physikalischen Größe. 

Ein digitales System kann prinzipiell die kleinstmögliche Unterscheidung zwischen zwei Möglichkeiten treffen. Diese Möglichkeiten werden auch als Zustände bezeichnet. Ein Beispiel für einen klar definierten Zustand: Das Ein oder Aus bei einem Lichtschalter. Mit diesen Zuständen arbeitet auch das System des klassischen Computers.

Die gängigen Computer und Smartphones, die wir kennen, arbeiten alle mit sogenannten Bits (englisch = binary digit = binäre Ziffer). Sie können einen von zwei Zuständen annehmen: 0 oder 1. 

Dementsprechend wird die Grundrecheneinheit bei einem Quantencomputer als Qubit bezeichnet. Das Besondere ist, dass ein Qubit nicht nur binär (0 und 1) sein kann, sondern auch alle Zustände zwischen 0 und 1 annehmen kann.

Der Unterschied zwischen Bit und Qubit

Quelle: Quarks (eigene Darstellung)

Wie kann man sich einen Quantencomputer vorstellen?

Bei einem Quantencomputer handelt es sich um eine sehr große Apparatur mit einem enorm großen Kühlungsmechanismus, der eine Temperatur nahe 0 Kelvin (= - 273,15 °C) herstellt. Der Kühlungsmechanismus ist nötig, um die Teilchen “ruhig zu stellen”. Alissa erklärt vereinfacht, dass sich die Qubits sehr viel bewegen. Um eine kontrollierte Wechselwirkung zu erreichen, entzieht man ihnen durch die niedrige Temperatur und ein Vakuum die Energie. 

Bei einem Quantencomputer geht es um die Kunst, die vielen Qubits mit ihren Wechselwirkungen so anzustoßen, dass kein zufälliges, sondern ein gewünschtes Ergebnis entsteht.

Wie leistungsfähig sind die Rechner?

Da Qubits viele Zustände gleichzeitig annehmen können, kann ein Quantencomputer mit relativ wenigen Qubits eine hohe Rechenleistung erzielen. Theoretisch steigt die Leistungsfähigkeit mit der Anzahl der Qubits exponentiell an.
Ganz so einfach ist das allerdings in der Praxis nicht – denn die Rahmenbedingungen müssen ebenfalls stimmen und die Fehlerquote muss dabei so gering wie möglich gehalten werden. 

Doch Achtung – Qubits sind nicht sehr stabil! Das bedeutet, dass jede Erschütterung und jedes magnetische oder elektrische Feld den Quantenzustand zerstören kann. Deswegen sind die Messungen auch besonders fehleranfällig. Bereits die kleinste Störung kann die Rechenleistung zusammenbrechen lassen.

Leistung von Quantencomputer

Quelle: IBM/DW (eigene Darstellung)

Kurze Zusammenfassung auf einen Blick

  • Quantencomputing nutzt Qubits statt Bits. Diese können die Werte 0 und 1 sowie alles dazwischen annehmen. 

  • Die Quantenphysik ist für den Menschen logisch kaum nachvollziehbar; mathematisch allerdings schon

  • Ein Quantencomputer wird auf nahe 0 Kelvin heruntergekühlt, damit die Qubits kontrollierbar sind 

  • Die Messung mit Quanten ist besonders fehleranfällig

 

Zukunftsausblick: Quantencomputer als große Chance und gleichzeitiges Risiko

Es gibt enorme Chancen bei der Nutzung von Quantencomputern: in Berechenbarkeits- Bereichen, die einen aktuellen Computer überfordern würden. Machine Learning oder medizinische Forschung sind beispielsweise Gebiete, in denen viele Forscher große Chancen erwarten.

“Die Chance von Quantencomputing ist nicht, dass es jetzt diese Probleme lösen kann. Aber dass es den Bereich der Lösbarkeit mit Rechnern weiter ausdehnt. Das ist wichtig für den Verkehrsfluss, wichtig für die Produktion von Hardwarechips und von Autos, das ist wichtig für die Pharmacy [...]

Alissa sagt, dass es in fast allen Bereichen Probleme gibt, die sich mit Quantencomputing lösen lassen.

Allerdings gibt es wie bei fast jeder Technologie auch Risiken. Die US-Behörde NIST befürchtet beispielsweise, dass Quantencomputer in Zukunft die Fähigkeit besitzen werden, Verschlüsselungsalgorithmen von heute zu knacken. Das wäre dann wiederum ein ernsthaftes Sicherheitsproblem.

“Das ist wie bei jedem Tool, [...]  du kannst es halt auch für schlechte Sachen nutzen. Wir können auch Quantencomputer dazu nutzen, schlechte KI zu bauen.”

In dieser Podcast-Episode erklärt Alissa Wilms zunächst die Grundlagen der Quantenphysik und anschließend die Funktionsweise des Quantencomputers, wie weit die Erforschung verschiedener Modelle ist und erzählt von aktuellen und zukünftigen Anwendungen. 



Hinweis: Zitate für bessere Lesbarkeit leicht abgeändert

2020-11-05 Techtalk data ai quantencomputer physik