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Quantencomputer: Braucht man das denn?

von Alexandra M.

Der Titel verrät bereits um was es geht – Quantencomputer in der Wissenschaft und Forschung ohne fachliche Abhandlung des Wirkungsprinzips.

Die Quantentechnik ist auf ihrem endgültigen Siegeszug in Wissenschaft und Forschung angekommen – trotz immenser Unannehmlichkeiten, die ein solcher Quantencomputer mit sich bringt. Obwohl er ungemein teuer ist und viel Platz benötigt, wünschen sich vor allem Astronomen und Mathematiker einen solchen zur Unterstützung ihrer Arbeit. Online gibt es bereits Zugang für all jene, die einen Computer mit QBits verwenden möchten.

Trotzdem stellt sich vielerorts noch die Frage der Wirtschaftlichkeit, sie ist wohl der größte Störfaktor in dieser Gleichung. Ohne dieses Problem gäbe es wohl bereits deutlich mehr Forschungseinrichtungen mit einer solchen Ausstattung.
Doch wie lassen sich die hohen Kosten rechtfertigen? Mit theoretischen Hochrechnungen von Zeitersparnissen? Mit eventuellen Forschungserfolgen? Der Konkurrenz einen Sprung voraus sein zu können? Ich denke, die beste Rechtfertigung ist der Dienst an der Öffentlichkeit, der mit der Erforschung unseres Seins und dem unstillbaren Durst nach mehr Wissen über uns sselbst einhergeht.
Nehmen wir etwa das derzeit bekannteste Beispiel in Bezug auf die Nutzung eines Quantencomputers, nämlich die US-amerikanische Raumfahrtbehörde NASA (National Aeronautics and Space Administration). Die NASA ist in Besitz des D-Wave X2. Dieser Computer, der enorm viel Geld verschlingt und keinesfalls die Größe eines regulären PCs besitzt, ist bereits jetzt von unschätzbarem Wert für die Organisation, da er durch seine Geschwindigkeit die Erforschung schneller vorantreibt als jedes andere Rechenzentrum zuvor.
Die quantenbasierende Technik ist in der Lage, große Zahlen schneller zu faktorisieren, Algorithmen effizienter durchzuführen und dadurch Fehlerquoten zu verringern, was im Umkehrschluss wiederum viel Zeit und Geld sparen kann. Der Computer ist zwar bei Weitem noch nicht ausgereift, aber bereits jetzt so hilfreich, dass er kaum noch wegzudenken ist.
Ich bin darum überzeugt davon, dass sich eine Investition im Bereich Quantencomputer auf lange Sicht nicht nur rechnet, sondern in Wissenschaft und Forschung schon bald alternativlos sein wird.

Kommentare (51)

  1. #1 Mars
    30. September 2018

    das erinnert mich ein wenig an die frage aus dem untericht:
    was macht der motor im flugzeug? – antwort: er dreht den propeller!

    das ist mir etwas zu kurz geraten, schön wäre die ergänzung, warum braucht man ihn (nur wegen der schnelligkeit, oder weil er auch ganz anderer operationen beherrscht?) und evt den vergleich zu herkömmlichen computern anzusprechen, evt sogar noch eine idee davon …

    … was ist so ein quantencomputer überhaupt.!

    hätte interessant werden können, da fehlt unbedingt die 2te seite.

  2. #2 Hannes Ametsreiter
    30. September 2018

    ” Die NASA ist in Besitz des D-Wave X2. Dieser Computer, der enorm viel Geld verschlingt und keinesfalls die Größe eines regulären PCs besitzt, ist bereits jetzt von unschätzbarem Wert für die Organisation, da er durch seine Geschwindigkeit die Erforschung schneller vorantreibt als jedes andere Rechenzentrum zuvor.”

    Also, dafür hätte ich doch gerne mal einen Beleg gesehen, soweit ich gelesen habe kostet das Teil nur Geld. Und das Quantencomputer besser faktorisieren können als ein regulärer Computer ist bisher weder mehr als eine Vermutung und keinesfalls bewiesen, noch existiert ein Rechner der das auch nur ansatzweise könnte.

    Interessanter Podcast (in Teilen) zum Thema: Die neue Folge “Alternativlos” ( https://alternativlos.org/42/ ) mit Frank und fefe, zu Gast Joscha Bach ( http://bach.ai/ )

  3. #3 rolak
    30. September 2018

    gerne mal einen Beleg

    Wer nicht, Hannes, alles bisher proDWave Vorgebrachte erinnert nicht nur aufgrund seines seltenen Vorkommen hauptsächlich an eines: ein aufgrund aufgedrückt intensiver Recherche gefundenes, jeglicher Praxisnähe fernes, an den Haaren herbeigezogenes Siehste!-Beispiel, mit dem die PR-Abteilung die exorbitanten Kosten emotional übertünchen kann.

  4. #4 Dampier
    30. September 2018

    This article is a stub.

    Schade eigentlich, hätte sicher interessant werden lönnen.

  5. #5 Dampier
    30. September 2018

    können, herrgott!

  6. #6 rolak
    30. September 2018

    herrgott!

    Ja, Sie haben gerufen? Wie kann ich Ihnen…

    Jawattan, wejen nem laschen Tippfehler? Nimmet Englische, da jinget doch!
    Zustände sin dat^^

  7. #7 alex
    30. September 2018

    @Hannes Ametsreiter:

    Und das Quantencomputer besser faktorisieren können als ein regulärer Computer ist bisher weder mehr als eine Vermutung und keinesfalls bewiesen, …

    Selbstverständlich ist das bewiesen. Allerdings geht es da nicht um die Sorte Rechner die D-Wave verkauft. Das

    … noch existiert ein Rechner der das auch nur ansatzweise könnte.

    ist das wirkliche Problem (für Zahlen nichttrivialer Größe).

  8. #8 Karl-Heinz
    30. September 2018

    @Hannes Ametsreiter

    Und das Quantencomputer besser faktorisieren können als ein regulärer Computer ist bisher weder mehr als eine Vermutung und keinesfalls bewiesen, noch existiert ein Rechner der das auch nur ansatzweise könnte.

    Geh bitte, mach dich doch nicht lächerlich.

  9. #9 tomtoo
    30. September 2018

    Ich hätte gerne ein Beispiel wo Quantencomputer tatsächlich ausserhalb der Erforschung derselben eingesetzt werden?

  10. #10 tomtoo
    30. September 2018

    Sry Nachtrag:
    “..Der (Q)Computer ist zwar bei Weitem noch nicht ausgereift, aber bereits jetzt so hilfreich, dass er kaum noch wegzudenken ist…”

    Ist halt schon eine steile Behauptung.

  11. #11 Karl-Heinz
    30. September 2018

    @tomtoo

    Ja, das ist eine sehr steile Behauptung von Alexandra M.
    Das größte Problem beim Bauen, eines nutzbaren Quantencomputer ist, dass man die natürlichen physikalischen Einschränkungen beachten muss. Und das wären
    • Relaxation
    • Dekohärenz
    Schon deswegen wird es nie einen Quantencomputer quasi als Homecomputer geben. Man müsste das ganze halt online machen.

  12. #12 tomtoo
    30. September 2018
  13. #13 tomtoo
    30. September 2018

    @K-H
    “..Schon deswegen wird es -NIE- einen Quantencomputer quasi als Homecomputer geben…”

    Auch das ist eine sehr steile Behauptung. ; )

  14. #14 Karl-Heinz
    30. September 2018

    @tomtoo

    Nein tomtoo, das ist keine steile Behauptung.
    Wenn der Quantencomputer uns beide sieht, dann muss er grinsen und der Quantenzustand bricht augenblicklich zusammen. 😉

  15. #15 tomtoo
    30. September 2018

    @K-H
    Aber NIE ist eine verdammt lange Zeit. Und evtl. sind wir bis dahin reichlich Dekohärend. Und er kann uns nicht mehr zusammen sehen. ; )

  16. #16 Karl-Heinz
    30. September 2018

    @Alexandra M

    Hast du gewusst, dass die Speicherkapazität bei Quantensystemen exponentiell mit der Zahl der Qubits wächst?

  17. #18 Karl Mistelberger
    30. September 2018

    Some things are clear, though. To carry out a quantum computation, you need to keep all your qubits coherent. And this is very hard. Interactions of a system of quantum-coherent entities with their surrounding environment create channels through which the coherence rapidly “leaks out” in a process called decoherence. Researchers seeking to build quantum computers must stave off decoherence, which they can currently do only for a fraction of a second. That challenge gets ever greater as the number of qubits — and hence the potential to interact with the environment — increases. This is largely why, even though quantum computing was first proposed by Richard Feynman in 1982 and the theory was worked out in the early 1990s, it has taken until now to make devices that can actually perform a meaningful computation.

    https://www.quantamagazine.org/the-era-of-quantum-computing-is-here-outlook-cloudy-20180124/

    There’s a second fundamental reason why quantum computing is so difficult. Like just about every other process in nature, it is noisy. Random fluctuations, from heat in the qubits, say, or from fundamentally quantum-mechanical processes, will occasionally flip or randomize the state of a qubit, potentially derailing a calculation. This is a hazard in classical computing too, but it’s not hard to deal with — you just keep two or more backup copies of each bit so that a randomly flipped bit stands out as the odd one out.

    Researchers working on quantum computers have created strategies for how to deal with the noise. But these strategies impose a huge debt of computational overhead — all your computing power goes to correcting errors and not to running your algorithms.

  18. #19 Karl-Heinz
    30. September 2018

    @Alexandra M

    Mich würde interessieren, ob du Schülerin bist? Da sich eine Deutschlehrerin kaum mit einem herkömmlichen Computer geschweige denn mit dem Quantencomputer auskennt, ist mit einer guten Note zu rechnen. 😉

  19. #21 stone1
    30. September 2018

    Ein Thema zu dem man wohl viele interessante Blogartikel schreiben könnte, leider klingt dieser eher wie eine Werbebotschaft von D-Wave.

  20. #22 Karl-Heinz
    30. September 2018

    @stone1

    Nö, der Artikel von Alexandra M. würde keinen Kunden oder Investor überzeugen.

  21. #23 Karl-Heinz
    30. September 2018

    @Hannes Ametsreiter

    Bitte sehr. Hier ist ein Beleg, der deine Ansicht und Behauptung wirklich widerspricht.

    D-Wave knackt mit 2.048-Qubit Prozessor bisher unlösbares Magnetismusproblem

    https://www.datacenter-insider.de/d-wave-knackt-mit-2048-qubit-prozessor-bisher-unloesbares-magnetismusproblem-a-736032/

  22. #24 schlappohr
    30. September 2018

    Tja, leider etwas dünn, dieser Artikel. Die Argumentation passt unverändert auch auf herkömmliche Supercomputer: Groß, irwitzig teuer, und in der Forschung unverzichtbar. Was ist also anders am Quantencomputer? Ohne das Funktionsprinzip wenigstens anzureißen und die Unterschiede zu klassischen Digitalrechnern herauszuarbeiten, läuft die Argumentation ins Leere. _Warum_ braucht die Forschung Quantencomputer?

  23. #25 tomtoo
    30. September 2018

    @K-H
    Naja, immerhin gelernt dass das Eis für Normale Computer in einigen Bereichen sehr dünn wird.

  24. #26 Karl Mistelberger
    30. September 2018

    I think that the effort required to obtain a low enough error level for any implementation of universal quantum circuits increases exponentially with the number of qubits, and thus, quantum computers are not possible.

    How can you be certain?

    I am pretty certain, while a little nervous to be proven wrong. Our results state that noise will corrupt the computation, and that the noisy outcomes will be very easy to simulate on a classical computer. This prediction can already be tested; you don’t even need 50 qubits for that, I believe that 10 to 20 qubits will suffice. For quantum computers of the kind Google and IBM are building, when you run, as they plan to do, certain computational processes, they expect robust outcomes that are increasingly hard to simulate on a classical computer. Well, I expect very different outcomes. So I don’t need to be certain, I can simply wait and see.

    https://www.quantamagazine.org/gil-kalais-argument-against-quantum-computers-20180207/

  25. #27 tomtoo
    30. September 2018

    @K-H,@Karl M.

    Beides spannend, man müsste jetzt die Arbeit bei K-H lesen und verstehen können. Ist man so weit zusagen das Ergebnis stimmt mit 2048Qbits?

  26. #28 Karl-Heinz
    30. September 2018

    @tomtoo

    Vielleicht kann man mit Hilfe von Zeikristallen Quantensysteme gegenüber Störungen stabilisieren.

    https://www.spektrum.de/news/wie-erzeugt-man-einen-zeitkristall/1440322

  27. #29 Karl-Heinz
    30. September 2018

    @tomtoo

    Du kann’st schon mal zum Üben anfangen.
    Simulatoren sind robuster 😉

  28. #30 Karl-Heinz
    30. September 2018

    @Alexandra M.

    Es wäre schön, wenn du dich auch mal äußern würdest. 😉

    Quantenüberlegenheit
    https://www.spektrum.de/news/quantum-supremacy-was-die-quantenueberlegenheit-wirklich-bedeutet/1549141

  29. #31 tomtoo
    30. September 2018

    @K-H #29
    Oh, dass überlasse ich ganz entspannt den jüngeren, schlaueren. Auch noch in einen Quantencomputer Compiler einarbeiten? Nö du. ; )

  30. #32 Karl-Heinz
    30. September 2018

    @tomtoo

    Aber geh. Das bisschen Mathematik kriegen wir doch locker hin. 😉

    https://www.spektrum.de/news/quantencomputer-sind-grundsaetzlich-anders/1574062

  31. #33 Kai
    1. Oktober 2018

    Achtung, Quantencomputer ist nicht gleich Quantencomputer. Da in jedem Computer Quanteneffekte eine Rolle spielen und für die Funktionsweise auch notwendig sind, könnte man im Grunde genommen jeden Computer als Quantencomputer bezeichnen. Aber wenn man von “Quantencomputer” redet hat man in der Regel einen Computer im Sinn, der bestimmte Probleme effizienter lösen kann als ein klassischer Computer, z.B. über den Shor-Algorithmus oder den Grover-Algorithmus. Ein solcher Computer existiert aber meines Wissens nach noch nicht.
    Ob D-Wave überhaupt ein Quantencomputer oder nur ein riesiger Presse-Gag ist, ist ja bislang umstritten.

    Die Hoffnung ist natürlich, dass man irgendwann Quantencomputer entwickeln kann, die z.B. quantenphysikalische Simulationen extrem effizient berechnen können. Bislang ist es nahezu unmöglich, die Molekülbewegungen und Reaktionen z.B. größerer Moleküle zu simulieren. Wären solche Berechnungen möglich, könnte das eine Revolution in der Medizin, Nanotechnologie und vielen anderen Wissenschaftsbereichen auslösen.

  32. #34 Naya
    1. Oktober 2018

    Mich irritiert auch die Kürze des Artikels und die fehlende Belege.
    Stand nicht in den Regeln, daß ein Wettbewerbsartikel mindestens 2000 Zeichen haben sollte? Davon ist der hier noch meilenweit entfernt.
    Wenn das hier nicht nur eine Einleitung ist, und durch irgendeinen Fehler der Rest des Artikels noch fehlt, frag ich mich echt, wie der das geschafft hat, nicht durchs Raster zu fallen.

  33. #35 Karl-Heinz
    1. Oktober 2018

    @Kai

    Bitte noch mal nachlesen, was jetzt genau ein Quantencomputer ist. 😉

  34. #36 Igambris
    1. Oktober 2018

    Hallo Leute,
    im Bundestags-Ausschuss “Digitale Agenda” war der Quantencomputer schon Thema einer öffentlichen Anhörung. Das Video dieser Anhörung zeigt, wie die Politik mit der Quantenmechanik konfrontiert wird:
    https://www.youtube.com/watch?v=07aPWD2HzFE
    Und hier noch einige Infos auf meiner Privat-Seite:
    http://www.josef-graef.de/zukunft/qputer.html
    Schöne Grüße

  35. #37 Kai
    1. Oktober 2018

    @Karl-Heinz: Den dummen Spruch bringen Sie immer, oder? Ist ihnen schonmal in den Sinn gekommen, dass es dafür eben keine exakte Definition gibt? D-Wave bezeichnet sich selbst (und wird von vielen Wissenschaftlern) als Quantencomputer bezeichnet. Ich würde ihn eher als Analog-Rechner bezeichnen. Es gibt jedenfalls noch keine exakte Vorstellung davon wie Quantencomputer in Zukunft aussehen und welche Quantenoperationen sie denn nun ausführen können, das ist alles noch Teil aktueller Forschung.

  36. #38 Karl-Heinz
    1. Oktober 2018

    @Kai

    Mein Rechenschieber ist auch ein Analog-Rechner, kann aber das nicht was ein D-Wave-System kann. 😉

    Wie funktionieren D-Wave-Systeme?
    In der Natur tendieren physikalische Systeme dazu, sich zu ihrem niedrigsten Energiezustand zu entwickeln: Objekte rutschen Hügel herab, heiße Dinge kühlen sich ab und so weiter. Dieses Verhalten gilt auch für Quantensysteme. Stellen Sie sich das vor, denken Sie an einen Reisenden, der nach der besten Lösung sucht, indem er das niedrigste Tal in der Energielandschaft findet, das das Problem darstellt.

    Klassische Algorithmen suchen das niedrigste Tal, indem sie den Reisenden an einen Punkt in der Landschaft setzen und diesem Reisenden erlauben, sich auf der Basis lokaler Variationen zu bewegen. Während es im Allgemeinen am effizientesten ist, bergab zu gehen und zu hohe Hügel zu vermeiden, neigen solche klassischen Algorithmen dazu, den Reisenden in nahe gelegene Täler zu führen, die möglicherweise nicht das globale Minimum darstellen. In der Regel werden zahlreiche Versuche benötigt, wobei viele Reisende ihre Reisen von verschiedenen Punkten aus beginnen.

    Im Gegensatz dazu beginnt das Quanten-Annealing damit, dass der Reisende dank des Quantenphänomens der Superposition gleichzeitig viele Koordinaten besetzt. Die Wahrscheinlichkeit, an irgendeiner gegebenen Koordinate zu sein, entwickelt sich mit fortschreitender Temperierung glatt, wobei die Wahrscheinlichkeit um die Koordinaten tiefer Täler zunimmt. Der Quantentunnel erlaubt es dem Reisenden, Hügel zu durchqueren – anstatt gezwungen zu sein, sie zu besteigen -, was die Wahrscheinlichkeit verringert, in Tälern eingeschlossen zu werden, die nicht das globale Minimum darstellen. Quantenverschränkung verbessert das Ergebnis weiter, indem es dem Reisenden ermöglicht, Korrelationen zwischen den Koordinaten zu entdecken, die zu tiefen Tälern führen.

  37. #39 Karl-Heinz
    1. Oktober 2018

    @Igambris

    Danke für die Links. 😉

  38. #40 tomtoo
    1. Oktober 2018

    @K-H
    Das ist ja die Sache. Ich hab mich da nicht eingelesen aber 2048D-Wave Qbits sind halt nicht 2048 verschränkte Qbits..Da gehts dann tief in die Materie.

  39. #41 tomtoo
    1. Oktober 2018

    @Alexandra M
    Auch mal Danke für deinen Artikel. Du siehst du hast eine spannende Diskussion angeregt. Ist halt ein sehr komplexes Thema mit dem du dich da beschäftigtst. Aber evtl. kannst du ja auch aus den Kommentaren die ein oder andere Anregung mitnehmen?

  40. #42 tomtoo
    1. Oktober 2018

    @Igambris
    Ja auch Danke. Ich hab ja jetzt auch das erste mal darüber nachgedacht, das bei Erfolg all die alte Verschlüsselung brechbar ist. Schon nicht ohne für Regierungen usw.

  41. #43 Karl-Heinz
    1. Oktober 2018

    @tomtoo

    Das ist ja die Sache. Ich hab mich da nicht eingelesen aber 2048D-Wave Qbits sind halt nicht 2048 verschränkte Qbits..Da gehts dann tief in die Materie.

    He tomtoo, du bist wirklich gut. 😉

  42. #44 tomtoo
    2. Oktober 2018

    @K-H
    Schön wärs. Aber das Thema ist halt auch richtig Komplex. Verschränkt sind die schon, aber halt doch anders? Für was eignet sich das eine? Für was das andere? Tausende von Fragen.

  43. #45 Karl-Heinz
    2. Oktober 2018

    @tomtoo

    Na ja, bei D-Wave handelt es sich um einen
    adiabatische Quantencomputer.
    Für viele Forscher stellt dieses Konzept gar keinen echten Quantencomputer dar, denn die Verschränkung mehrerer Qubits spielt hier gar keine Rolle. Ganz so unrecht hat Kai also doch nicht.
    Man der Kai kann ziemlich schnell auf 180 sein. 😉

  44. #46 Kai
    2. Oktober 2018

    @Karl-Heinz: Der Begriff Analog-Rechner ist keineswegs abwertend gemeint. Ich meine damit: der Rechner modelliert ein spezifisches Optimierungsproblem so, dass es durch einen physikalischen Vorgang gelöst wird. Ähnliche Prinzipien (aber natürlich trotzdem völlig anders) sind ja auch Molekularrechner, z.B. DNA-Computer.

    Und trotzdem ist das eben was anderes als das, was man gemeinhin unter Quantencomputer versteht.

  45. #47 Karl-Heinz
    2. Oktober 2018

    @Kai

    Ich bin ja auf diesem Gebiet (Quantencomputer) selbst Laie. Mir ist nicht gleich aufgefallen, dass D-Wave kein vollwertiger Quantencomputer ist und deshalb nur für spezielle Probleme eingesetzt werden kann. Du musst aber zugeben, die Prozessoren von D-Wave sehen aber cool aus.;-)

  46. #48 tomtoo
    2. Oktober 2018

    @K-H,@Kai
    Wieso 180? Kai ist doch korrekt so wie ich das bis jetzt sehe? Hab aber auch keinen Plan wie das im Detail aussieht, wäre wohl einen eigenen Artikel wert. ; )

  47. #49 tomtoo
    2. Oktober 2018

    @K-H
    Bei sowas schreie ich statts ganz laut Mama immer @MartinB. ; )

  48. #50 tomtoo
    2. Oktober 2018

    @Kai
    Du scheinst da ja einen Plan zu haben. Kannst du den Unterschied kurz erklären ?
    Also adiabatisch und wirklichen Quantencomputer.

  49. #51 Karl Mistelberger
    5. Oktober 2018

    Eine Hoffnung besteht hier auf dem adiabatischen Quantencomputer auf Basis adiabatischen Theorems, der von der Firma D-Wave Systems gebaut, und 2011 mit unvergleichlich vielen 128 Qubits auf den Markt gebracht wurde. Das Problem ist dabei, dass adiabatischen Quantencomputer im normalen Arbeitszustand keine universellen Quantencomputer sind, und hauptsächlich Optimierungsprobleme lösen können.

    http://www.math.kit.edu/ianm4/seite/ma-adiabatische-quantencomputer/de