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Quantencomputer : Computer üben den Quantensprung

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Quantencomputer nutzen die Gesetze der Quantenphysik. „Auch die kleinsten Teilchen, die Moleküle, unterliegen den Gesetzen der Quantenphysik, so dass man mit einem Quantencomputer wirklich schön die Eigenschaften von Molekülen berechnen kann“, erläutert Quantenforscherin Riel. „Allerdings sind für solche Berechnungen neue Analyse-Algorithmen notwendig“, stellt Federico Carminati, Computerchef am europäischen Kernforschungszentrum Cern in Genf, klar. Inzwischen sind schon sehr brauchbare Software-Bibliotheken in diesem Bereich entstanden. Der Entwicklungsaufwand dafür war allerdings hoch. Doch diese Hürde für den Umzug der Quantencomputer aus dem Labor in die Rechenzentren ist geschafft. Die Methoden der Software-Entwicklung für Quantencomputer sind inzwischen auf einem ähnlichen Niveau wie für die Entwicklung von Supercomputern.

Allerdings ist die Programmierung von Quantencomputern noch immer eher mit Maschinenprogrammierung als mit standardisierten Programmiersprachen vergleichbar. Von der Raffinesse herkömmlicher Programmiersprachen ist man noch entfernt, denn Quanten-Algorithmen sind nicht direkt mit Algorithmen konventioneller Computer vergleichbar.

Noch komplizierter wird es, wenn Quantencomputer und Supercomputer gemeinsam ein Problem lösen sollen. Dann müssen im Datenzentrum die einzelnen Rechenaufgaben jeweils direkt an einen Quanten-Algorithmus oder einen konventionellen Algorithmus überwiesen werden. So können etwa Pharmazeuten auf beiden Computern neue Medikamente entwickeln, indem sie die Moleküleigenschaften für neue Wirkstoffe von einem Quantencomputer berechnen lassen. Anschließend werden bestimmte Wirkmechanismen auf dem herkömmlichen Supercomputer simuliert.

Auch die Analysten von Banken und Versicherungen sind hochgradig interessiert. Denn etwa Berechnungen zur Preisentwicklung in der Finanzmathematik lassen sich so in kollegialer Rechenarbeit von Supercomputer und Quantencomputer effizient erledigen. Grundlage solcher Berechnungen sind Differentialgleichungen. Auf dem Quantencomputer werden die Gleichungen berechnet, die sich in quantenmechanische Gleichungen umwandeln lassen. Den Rest erledigt der Supercomputer.

An die Bedürfnisse von Rechenzentren anpassen

Der kann natürlich auch Quantencomputing simulieren und so bei der Entwicklung von Quanten-Algorithmen helfen. Damit haben zum Beispiel die Forscher am Leibniz-Rechenzentrum in Garching bei München bereits Erfahrungen sammeln können. Auf dem dort stehenden Höchstleistungsrechner mit dem klingenden Namen Supermuc-NG steht schon seit einiger Zeit ein Quantencomputingsimulator mit 42 Quantenbit bereit.

Eine andere Hürde besteht darin, die Elektronik für die Quantencomputer an die Bedürfnisse von Rechenzentren anzupassen. „Wenn wir im Labor Quanten-Prozessoren untersuchen, wollen wir natürlich von der Elektronik her flexible Instrumente haben“, berichtet Riel. Im Datenzentrum aber gelten andere Maßstäbe. „Das Gerät muss hier nicht mehr die gesamte Flexibilität des Testens erlauben.“

Seit IBM im Jahr 2019 den ersten Quantencomputer vorgestellt hat, der außerhalb einer Laborumgebung einsetzbar ist, hat sich die gesamte Elektronik erheblich weiterentwickelt. „Das Rauschen in den elektronischen Bauteilen ist reduziert worden, und die Elektronik wurde verkleinert“, charakterisiert Riel die Entwicklung.

Mischformen aus Höchstleistungsrechnen und Quantencomputing

Auch Cloud-Modelle, die Quantencomputing als Service bieten, geraten jetzt in den Blick. So dürfte Quantencomputing in nicht allzu ferner Zukunft sogar für Mittelständler erschwinglich und damit interessant werden. Daneben aber werden Quantencomputer als Spezialrechner in großen Rechenzentren eine wesentliche Rolle spielen. Dafür muss der Quantencomputer in die Rechenzentrums-Infrastruktur eingepasst werden. Je nachdem, welche Anforderungsprofile die Nutzer und Kunden der Rechenzentren haben, werden sich unterschiedliche Mischformen aus Höchstleistungsrechnen und Quantencomputing entwickeln.

Teils werden dafür Quantencomputer mit ihren Kryostaten in den Rechenzentren aufgebaut, teils werden aber auch Rechenzentren Quantencomputing aus der Cloud beziehen. „Wir arbeiten daran, unseren Nutzern Zugang zu verschiedener, bereits auf dem Markt befindlicher Quantencomputing-Hardware zu ermöglichen und das dafür notwendige Ökosystem aufzubauen“, beschreibt zum Beispiel Dieter Kranzlmüller, Leiter des Leibniz-Rechenzentrums, die derzeit dringlichste Aufgabe der großen Rechenzentren in Deutschland.

Schnelle Prozessoren

Schnelle Prozessoren Quantencomputer können Probleme lösen, die selbst die schnellsten Supercomputer der Welt bisher nicht berechnen können. Denn sie sind in der Lage, aberwitzig große Datenmengen gleichzeitig zu bearbeiten. Dabei rechnen sie völlig anders als herkömmliche Computer. Will ein konventioneller Computer zwei Zahlen addieren, nimmt er zunächst eine Bitreihe aus dem Arbeitsspeicher, wendet den logischen Operator „und“ an und nimmt eine zweite Bitreihe, welche die zweite Zahl darstellt, hinzu. Das Ergebnis der Addition legt er wieder in einer Bit-Reihe ab. Ein Quantencomputer nimmt für solch eine Aufgabe ebenfalls zwei Quantenbit-Reihen. Aber jedes Quantenbit hat nicht nur den Wert Null oder Eins wie normale Bits, sondern es kann jeden Wert zwischen Null und Eins annehmen.

Die Fachleute sprechen hier von Superposition. Weil jedes Quantenbit theoretisch also jeden Wert zwischen Null und Eins annehmen kann, kann jede Quantenbit-Reihe eine riesige Menge an Daten enthalten. Bei einem Quantencomputer mit 20 Quantenbits entspricht eine solche Reihe 16 Megabyte herkömmlicher Computer, nämlich 2 hoch 20, also 2 mal 2 mal 2 – und das ganze 20 Mal. Bei 53 Qubits sind das 2 hoch 53. Deshalb können Quantenrechner so große Mengen an Informationen verarbeiten und sind dadurch herkömmlichen Supercomputern überlegen. Quantenrechner mit zwei Qubits können 2 hoch 2 mögliche Bit-Zustände gleichzeitig verwenden, also vier. Quantencomputer mit 53 Quantenbits können 2 hoch 53 mögliche Bitzustände gleichzeitig verwenden, also mehr als eine Billiarde Bitzustände gleichzeitig. Quantencomputer haben bei solchen Berechnungen noch einen Vorteil: Sie verwenden Methoden der Quantenphysik, arbeiten also auf der Ebene einzelner Atome.

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