Inhalt

• Wofür sind Quantencomputer gut?
• Was bedeutet Quantenüberlegenheit für die Sicherheit?
• Fragen zu den Vorherrschaftsansprüchen von Google

In der vergangenen Woche gaben Google - Forscher an, die "Quantenüberlegenheit" erreicht zu haben, heißt es in einem Artikel in der Financial Times. Das Papier von Google wurde kurz auf einer NASA-Website veröffentlicht, bevor es entfernt wurde. Darin behaupten Forscher, mit ihrem eigenen Quantencomputer den derzeit leistungsstärksten klassischen Supercomputer - Summit - übertroffen zu haben.

Dies wird als Quantenüberlegenheit bezeichnet - mit anderen Worten, wenn sich herausstellt, dass ein Quantencomputer bei einer bestimmten Aufgabe schneller ist als ein klassischer Computer. Laut dem Artikel kann das 53-Qubit-Sycamore-System von Google diese spezifische Berechnung in drei Minuten und 20 Sekunden durchführen. Der Summit Supercomputer würde ungefähr 10.000 Jahre brauchen, um dieselbe Funktion zu erfüllen.

Das Erreichen der Quantenüberlegenheit war ursprünglich für Ende 2017 prognostiziert worden. Der 72-Qubit-Bristlecone-Computer von Google (siehe Abbildung oben) erwies sich jedoch als zu schwierig, um mit ausreichender Genauigkeit gesteuert zu werden. Stattdessen kommt der Durchbruch vom kleineren 53-Qubit-Sycamore-System.

Wofür sind Quantencomputer gut?

Im Gegensatz zu herkömmlichen Computern, die mit Bits von 1 oder 0 arbeiten, verwenden Quantencomputer "Qubits" zum Speichern von Werten. Ein Qubit oder Quantenbit ist ein quantenmechanisches System mit zwei Zuständen. Es hat die mysteriöse Eigenschaft, in der Lage zu sein, eine Überlagerung von 1 und 0 Zuständen gleichzeitig zu halten. Dieser Zustand bricht jedoch bei der Messung zusammen.

Quantencomputer werden mit ähnlichen Hardware-Gattern wie klassische Computer gebaut, wobei NOT- und AND-Gate-Äquivalente für mathematische Funktionen verwendet werden. Quantenausgaben sind jedoch von Natur aus wahrscheinlichkeitsabhängig, was bedeutet, dass sie auf Genauigkeit überprüft und fehlerkorrigiert werden müssen. Sie können eine Quantenberechnung auch nicht durchsehen, ohne die Ausgabe aufgrund von Überlagerungen zu ruinieren.

Überlagerung und Wahrscheinlichkeit sind die Schlüssel, die Quantencomputer für bestimmte mathematische Aufgaben nützlich machen. Wenn Sie die Anzahl der Qubits erhöhen, können Sie fast sofort Millionen von Möglichkeiten berechnen. Verwendet werden unter anderem das Faktorisieren großer Zahlen, das Berechnen von Fouriertransformationen und das Lösen linearer Gleichungen. Quantencomputer sind von Natur aus sehr spezialisiert. Für viele der grundlegenden Berechnungen, die unsere Handheld-Computer täglich ausführen, sind sie nicht gut.

Was bedeutet Quantenüberlegenheit für die Sicherheit?

So seltsam Quantencomputer auch klingen, sie haben einige sehr interessante Anwendungen in bestimmten Bereichen des Rechnens - insbesondere in solchen, die wiederholte, komplexe mathematische Operationen wie Meteorologie, Modellierung von Chemie und Physik sowie Kryptographie beinhalten.

Das letzte erschreckt oft Leute. Quantencomputer können so viele mathematische Permutationen gleichzeitig durchlaufen und benötigen theoretisch nur einen Bruchteil der Zeit, die aktuelle Computer benötigen, um gemeinsame Verschlüsselungsstandards zu brechen. Nur Tage oder Stunden statt mehrerer Lebensdauern. Möglicherweise werden eines Tages neue kryptografische Protokolle für sehr vertrauliche Informationen benötigt, um das Knacken durch Quantencomputer zu verhindern.

Die Verschlüsselungsstandards müssen im Zuge kommerzieller Quantencomputer verbessert werden.

Ebenso werden ähnliche Algorithmen auf dem aktuellen Markt für Kryptowährungen verwendet, um Brieftaschen zu sichern und die Legitimität von Transaktionen zu überprüfen. Es gibt kein Anzeichen dafür, dass selbst der Computer von Google in der Lage ist, diese Verschlüsselungstypen zu knacken. Die Gefahr eines exponentiellen Wachstums der Quantencomputerleistung macht dies jedoch in den nächsten Jahren zu einer eindeutigen Möglichkeit.

Glücklicherweise sind Quantencomputer noch weit davon entfernt, kommerziell rentabel zu sein. Sie befinden sich noch in der Entwicklungsphase und werden mit größerer Wahrscheinlichkeit für Forschungszwecke verwendet, als öffentliche Passwörter zu knacken. In beiden Fällen müssen die Verschlüsselungsstandards verbessert werden, um die Lebensfähigkeit von Cracks in naher Zukunft zu beeinträchtigen und zu verhindern.

Fragen zu den Vorherrschaftsansprüchen von Google

Während Google die Quantenüberlegenheit als großen Durchbruch bezeichnet, sind einige seiner Konkurrenten von den Vorzügen des Erfolgs weniger überzeugt. Der Begriff "Quantenüberlegenheit" legt nahe, dass Quantencomputer heute leistungsfähiger und nützlicher sind als klassische Computer, aber dies ist sicherlich eine umstrittene Behauptung.

Dario Gil, Forschungsleiter bei IBM (ein wichtiger Konkurrent im Bereich Quantencomputer), bezeichnete Googles Behauptungen als "einfach falsch". Gil merkt an, dass die Forschung lediglich "ein Laborexperiment ist, das darauf abzielt, eines im Wesentlichen - und mit ziemlicher Sicherheit - umzusetzen." Ein sehr spezifisches Quanten-Sampling-Verfahren ohne praktische Anwendungen. “Mit anderen Worten, Googles Forschung konzentriert sich auf eine sehr enge Art der Datenverarbeitung, die nur wenig Aufschluss über die umfassenderen Funktionen des Computers gibt.

Quantenüberlegenheit - wenn ein Quantencomputer für eine gegebene Aufgabe einen klassischen Computer übertrifft.

Chad Rigetti, ein ehemaliger IBM-Manager, bezeichnete die Ankündigung jedoch als "großen Moment für den Menschen und die Wissenschaft". Daniel Lidar, Ingenieurprofessor an der University of Southern California, nannte das Ausmaß des Durchbruchs von Google. Das Unternehmen hat die Qubit-Interferenz, die als "Übersprechen" bekannt ist, verringert und die Fehlerrate des Computers im Vergleich zu seinem Konkurrenten erheblich verringert.

Dies bedeutet, dass Google die Größe seiner Quantencomputer dank geringerer Fehlerergebnisse jetzt vergrößern kann. Mehr Qubits mit geringem Fehler erhöhen die Verarbeitungsleistung von Quantencomputern exponentiell und machen sie für die Lösung komplexer Probleme viel praktikabler. Es bleibt jedoch noch viel zu tun, um die Programmierbarkeit zu verbessern.

Letztendlich sind Quantencomputer nur für eine begrenzte Anzahl von Aufgaben nützlich. Es ist teuer, sie zu erstellen, auszuführen und zu programmieren. Aufgrund dieser Komplexität werden sie wahrscheinlich nur sparsam für bestimmte Aufgaben eingesetzt. Dies mindert jedoch nicht den Meilenstein für die Quantenüberlegenheit von Google und die Tatsache, dass das Quanten-Computing von Jahr zu Jahr rentabler wird.