"Quantum Computing" erklärt in 10 Minuten

Bei TEDWomen 2018 erklärt Quantenphysikerin Shohini Ghose anhand eines einfachen Beispiels was Quantencomputer so besonders macht und was sie zukünftig leisten könnten.


Man stelle sich ein Casino im berüchtigten Las Vegas vor, in dem ein menschlicher Spieler ein Computerspiel, genauer gesagt ein Münzspiel spielt. Das Spiel beginnt damit, dass die Münze mit der Kopfseite (im engl. Head (H)) nach oben zeigt (siehe Abbildung 1):

Abbildung 1


Der Computer ist zuerst an der Reihe und kann entweder die Münze werfen oder eben auch nicht. Wichtig ist an dieser Stelle, dass weder der Spieler noch der Computer den Spielzug des jeweils anderen im Nachgang sehen können. Den nächsten Zug macht der Spieler. Auch er kann entscheiden, ob er die Münze werfen möchte oder nicht.


Nach insgesamt drei Runden wird die Münze aufgedeckt: Liegt Kopf oben, gewinnt der Computer, liegt Zahl oben der Spieler (siehe Abbildung 2). Wie zu erwarten war, ist es ein sehr simples Spiel.

Abbildung 2


Sofern das Spiel nicht im Vorhinein manipuliert wurde und alle Teilnehmer fair spielen, hat der Spieler eine Gewinnchance von etwa 50% (siehe Abbildung 3).

Abbildung 3


Soweit so gut, aber was würde passieren, wenn man dieses Spiel mit bzw. gegen einen Quantencomputer wie den von IBM spielt?


Bevor diese Frage näher beleuchtet wird, soll eine kurze Beschreibung dabei helfen, zu erklären, was hinter Quantencomputern steckt und welche Fähigkeiten sie haben.


Quantencomputer basieren auf der Quantenphysik, einem Wissenschaftsgebiet, das beschreibt, wie sich Atome und Elementarteilchen verhalten. Die Funktionsweise eines Quantencomputers besteht letztlich darin, das Verhalten genau dieser Teilchen zu kontrollieren.


“Ein Quantencomputer ist nicht einfach ein leistungsstärkere Version unserer gegenwärtigen Computer, so wie eine Glühbirne nicht eine leistungsstärkere Kerze ist. Man kann keine Glühbirne herstellen, indem man eine Kerze besser macht [...].”

“[...] Und genauso wie die Glühbirne unsere Gesellschaft verwandelte, könnten auch Quantencomputer Auswirkungen auf so viele unserer Lebensaspekte haben, darunter unsere Sicherheitsbedürfnisse, das Gesundheitswesen, sogar das Internet.”

Jetzt folgt dasselbe Münzspiel mit denselben Auswahlmöglichkeiten für die Spieler (werfen oder nicht werfen) und derselben Reihenfolge - allerdings nun gegen einen Quantencomputer (siehe Abbildung 4).

Abbildung 4


Nach mehreren Runden des Münzspiels stand folgendes Ergebnis (siehe Abbildung 5):

Abbildung 5


Der Quantencomputer gewann fast jedes Spiel. Unfassbar, aber wie kam es zu dieser Glückssträhne? Erklären lässt sich diese Glückssträhne ganz einfach mithilfe der Quantenphysik.

Ein normaler Computer kodiert Kopf oder Zahl als ein Bit (siehe Abbildung 6).

Abbildung 6


Quantencomputer und deren sogenannte Quantenbits (kurz auch QuBits genannt) funktionieren hingegen völlig anders. Ein Quantenbit ist nicht binär. Es kann sich in einer Superposition, einer Kombination aus Null und Eins, die mit gewissen Wahrscheinlichkeiten für Null und für Eins versehen ist, befinden. Der Wert eines solchen Bits liegt sozusagen auf einem Spektrum.

Im Spiel gegen einen Quantencomputer erstellt der Quantencomputer eine Superposition, also in diesem Fall eine Kombination aus Kopf und Zahl. Ganz egal was der Spieler macht - die Münze werfen oder nicht werfen - die Superposition bleibt unverändert.


Allerdings kann der Quantencomputer beim letzten Zug diese Superposition aufheben und das Spielende so beeinflussen, dass die Kopf-Seite der Münze oben auf liegt und der Spieler so (fast) jedes Mal verliert (siehe Abbildung 7).

Abbildung 7


Immer noch nicht wirklich verständlich? Gar nicht schlimm, denn diese Quantenrealität wie gerade im Beispiel dargestellt begegnet uns relativ selten im Alltag, aber nichtsdestotrotz sind die Auswirkungen dieser Technologie sichtbar.


Für Quantencomputer-Technologien könnte es zukünftig viele Anwendungsgebiete geben. Exemplarisch sind hier drei Bereiche aufgelistet.

  1. Verschlüsselung: Mehr als 17 Milliarden mit dem Internet verbundene Geräte gibt es weltweit. Quantentechnologie könnte hier genutzt werden, um Geheimschlüssel zu erstellen, mit denen man Nachrichten verschlüsselt versenden könnte. Hackern würde so ganz einfach das Handwerk gelegt, da sie schon die Gesetze der Quantenphysik überlisten müssten, um die Codes zu knacken.

  2. Gesundheitswesen und Medizin: In der Medikamentenentwicklung sind Moleküldesign und -analyse eine herausfordernde Aufgabe. Grund hierfür ist, dass die exakte Beschreibung und Berechnung aller Eigenschaften der in einem Molekül enthalten Atome eine rechnerisch schwierige Aufgabe ist - sogar für einen Supercomputer. Quantencomputer können hier ansetzen. Mit großen Quantensimulationen in der Medikamententwicklung könnten diese Technologie zukünftig eventuell dazu beitragen, die Behandlung von bisher schwer zu behandelnden Krankheiten wie Alzheimer zu ermöglichen.

  3. Teleportation von Informationen: Informationen von einem zu einem anderen Ort zu übertragen, ohne dass hierbei ein physischer Austausch nötig ist?! Möglich ist dieser Datenaustausch durch die fluide Identität der Quantenteilchen, die über Raum und Zeit hinweg besteht und so verknüpft werden kann, dass eine Veränderung an einem Quantenteilchen auch ein anderes beeinflusst. Dies schafft einen Kanal, der für Teleportationen genutzt werden und so auch Grundstein eines zukünftigen Quanteninternets sein könnte.


Das Video zum TED-Talk von Shohini Ghose kann man hier sehen.

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