Aus dem Unterricht des CAS Disruptive Technologies mit Marcel Blattner berichtet Emanuel Kessler.

Quantencomputer?

Quantum Computing – Bei diesem Ausdruck versteht wohl jeder Normalbürger nur Bahnhof. Wenn man sich, wie wir von der Gruppe des CAS Disruptive Technologies (DTC17-2), drei bis vier Stunden mit dem Thema auseinandersetzt, wird der Bahnhof nur noch grösser. Wir wissen nun zwar, dass „es“ funktionieren kann, weshalb dies so ist, ist kaum nachvollziehbar. Die Quantum Mechanik und somit auch Quantum Computing ist von der Wissenschaft der Physik geprägt. Der erste Quantencomputer, welcher heute noch nicht existiert, wird dank der unglaublichen Rechenleistung die Welt, wie wir sie kennen, auf den Kopf stellen und heute nicht bekannte Möglichkeiten, Chancen und Gefahren mit sich bringen.

Nun aber mal alles von Beginn weg. Uns diesem komplexen Thema der Quanten Mechanik und des Quanten Computing annähern, durften wir im sehr inspirierenden Ideation Space der „Witzig The Office Company“ – Danke Danny!

(Ideation Space)

Erklärungsversuch mit Hilfe der Physik

Gemäss des Physikers Seth Lloyd vom MIT entstand der erste Quantencomputer vor knapp 14 Milliarden Jahren. Das damals im Urknall entstandene Universum sei ein einziger, riesiger Quantencomputer, dessen Programm darin besteht, Raum, Zeit, Materie und schliesslich auch den Menschen hervorzubringen. (Quelle: golem.de)

Um uns der Quantenmechanik anzunähern, müssen wir uns bekannten Modellen aus der Physik bedienen. Ein Atom hat die Grösse von 10-10 m. Es besteht aus dem Atomkern (Neutronen und Protonen) und Eletronen. Das Atom sieht dabei jedoch keinesfalls wie die gängige Skizze (auch gesehen in „Big Bang Theory“) aus sondern viel mehr wie ein in verschiedenen Formen auftretendes verschwommenes Bild, denn die Elektronen verfolgen keine definierte Bahn. Geschwindigkeit und Aufenthaltsort eines Elektron können nie gleichzeitig definiert werden.

(Darstellung eines Atoms)

Betreffend der Grössenverhältnisse verhält sich der Atomkern zum Atom wie eine Stecknadel zu einem Fussballfeld.

Die mannigfaltigen Fähigkeiten eines Elektrons

Die Fähigkeiten eines Elektrons sind vielseitig und schwierig fassbar. Zum Erklärungsversuch dienen Begriffe wie:

  • Superposition
  • Entanglement
  • Tunneling Particle-Wave-Duality
  • Observer is not independent of the “System”

Eine vereinfachte Erklärung zum Verhalten von Elektronen findet man gut dargestellt im Film „Dr. Quantum – Double Slit Experiment (https://www.youtube.com/watch?v=DfPeprQ7oGc)

Ein Quantencomputer, oder besser gesagt ein Quantum-Bit (Qubit) soll sich dieser Fähigkeiten annehmen. Wo das herkömmliche Bit 0 oder 1 ist, ist ein Qubit 0, 1, alle Möglichkeiten dazwischen und alles gleichzeitig. Entsprechend müssen mit einem Quantencomputer nicht wie bisher alle Rechenoperationen nacheinander, sondern können gleichzeitig gelöst werden. Bis heute ist es technisch noch nicht möglich, einen echten Quantencomputer (mind. 40 Qubits) zu bauen. D-Wave wird zwar mit diesem Begriff vermarktet, ist allerdings „nur“ ein Quantum Annealer.

Die Macht des Quantencomputers

Google hat angekündigt, einen Quantencomputer innert der nächsten fünf bis zehn Jahren entwickeln zu können. Quantencomputer ermöglichen eine exponentielle Verbesserung der Rechenpower. Aktuelle (physikalische) Grenzen werden gesprengt und auch alle heute als sicher geltenden Verschlüsselungsmethoden werden obsolet. Diese Rechenpower ist gleichbedeutend mit einem enormen Marktvorteil und Macht. Entsprechend sind neben den grossen Technologiefirmen wie Google, IBM oder Facebook auch Staatsbetriebe und Universitäten bemüht, als erstes diese Technologie entwickeln und nutzen zu können.