0 oder 1 war gestern, die Zukunft kann beides gleichzeitig sein. Quantencomputer sind nämlich eine neue Klasse von Rechenmaschinen, die nicht auf klassischen Bits basieren, sondern auf Qubits (Quantum Bits). Während ein klassisches Bit bekanntlich einen eindeutigen Zustand (0 oder 1) repräsentiert, kann ein Qubit gleichzeitig beide Zustände einnehmen. Erst beim Auslesen kollabiert der Qubit-Zustand dann in einen der beiden klassischen Werte. Dieses Phänomen erlaubt es Quantencomputern, in einem Rechenschritt eine Vielzahl möglicher Ergebnis-Kombinationen zu bearbeiten – ein Potenzial, das klassische Rechner an ihre Grenzen bringt.
Quantencomputer nutzen dazu die Prinzipien der Quantenmechanik und hier im Speziellen die Quantenphänomene der Superposition und der Verschränkung. Dadurch können die Qubits gleichzeitig mehrere Zustände annehmen. Am einfachsten lässt sich das mit einem Lichtschalter erklären. Ein klassisches Bit arbeitet wie ein klassischer Lichtschalter: Er/Es ist entweder An (1) oder Aus (0). Ein Qubit hingegen gleicht eher einem Dimmer, der stufenlos jeden Zustand zwischen vollständig An und vollständig Aus einnehmen kann – und sogar beides gleichzeitig. Die Superposition ermöglicht es einem Qubit, gleichzeitig eine Überlagerung von 0 und 1 zu sein, was die Informationsdichte und die Rechenleistung exponentiell steigert.
Die immense Leistungsfähigkeit wird einem Quantencomputer durch ein zweites Quantenphänomen verliehen: die Verschränkung. Wenn zwei oder mehr Qubits miteinander verschränkt sind, sind ihre Zustände auf eine Weise miteinander verbunden, dass die Messung des Zustands eines Qubits augenblicklich den Zustand der anderen Qubits bestimmt – unabhängig von der Entfernung zwischen ihnen. Diese Eigenschaft ermöglicht besonders effiziente Vernetzungen im Rechenprozess und eröffnet völlig neue Algorithmen, die klassische Rechner nicht simulieren können.
Die Krux an der Sache: Die Quantencomputertechnologie befindet sich noch in einem sehr, sehr frühen Stadium der Entwicklung. Der Bau und die Steuerung von stabilen und fehlerresistenten Qubits sind eine immense technische Herausforderung. Aktuelle Quantencomputer sind daher sehr noch fehleranfällig und haben eine begrenzte Anzahl an Qubits. Es wird sicher noch einige Zeit dauern, bis universelle, fehlertolerante Quantencomputer Realität werden.
Die potenziellen Anwendungsbereiche von Quantencomputern sind aber schon jetzt immens und reichen von der Materialwissenschaft über die Medizin bis hin zur künstlichen Intelligenz und Finanzmodellierung. In der Materialwissenschaft könnten Quantencomputer die Entwicklung neuer Materialien beschleunigen, beispielsweise Supraleiter oder effizientere Batterien. Und in der Pharmaforschung könnten sie die Entdeckung und Entwicklung neuer Medikamente und Therapien revolutionieren, indem sie molekulare Interaktionen präziser simulieren.
