Ein Quantencomputer ist eine neue Art von Computer. Normale Computer speichern Information in Bits: 0 und 1. Quantencomputer speichern Information in Qubits: auf, ab, seitwärts und in jeder Richtung dazwischen (vollständige Anleitung hier). Das ist eine brandneue Sprache fürs Rechnen, und sie erweist sich für manche Aufgaben als deutlich leistungsfähiger.
Was genau können Quantencomputer? Wir finden jeden Monat neue Anwendungen. Die heute drei wirkungsvollsten sind:
- 1
Chemie
Die computergestützte Chemiefabrik
Neue Moleküle in Minuten statt Jahrtausenden entwerfen.
- 2
Sicherheit
Der globale Entschlüsseler
Jedes sichere Protokoll im Internet ist gefährdet.
- 3
Optimierung
Der Live-Geschäftsoptimierer
Lösen Sie die unmöglichen Planungsprobleme.
Die computergestützte Chemiefabrik
Würden wir die KI bitten, eine neue Weltraum-Legierung zu erfinden, die leichter als Luft, stärker als Stahl und knallrosa ist, käme sie in zwanzig Sekunden mit einer chemischen Formel zurück.
Die Korrektheit zu überprüfen ist jedoch das Problem. Auf klassischen Computern ist die Verifikation von Materialeigenschaften ein exponentielles Problem, das heißt sie kann selbst für mittelgroße Moleküle Jahre dauern. Es ist so schwer, dass das größte je exakt gelöste Molekül Benzol (C6H6) ist, das nicht einmal sehr groß ist. Jedes zusätzliche Atom erhöht die Komplexität exponentiell.
Warum es so schwer ist
Um die Eigenschaften eines Moleküls zu bestimmen, brauchen Sie seine elektronische Struktur: wie die Elektronen um die Atome verteilt sind.
Ein konkretes Beispiel: blaue OLEDs. OLED-Moleküle bringen die einzelnen Pixel in Ihrem Telefondisplay zum Leuchten. Lassen Sie elektrischen Strom hindurchfließen, und sie emittieren Licht einer bestimmten Wellenlänge.
Die blauen sind notorisch ineffizient. Sie verschleißen schneller als Rot und Grün, weshalb Telefondisplays mit der Zeit abdunkeln und sich farblich verschieben. Wenn ein:e Chemiker:in also ein neues Molekül vorschlägt, das sauberes blaues Licht emittiert, wollen wir es vor dem Übergang zur Fertigung überprüfen.
Um die Farbe des emittierten Lichts oder seine Effizienz vorherzusagen, müssen Sie jede mögliche Konfiguration seiner Elektronen vorhersagen und wie wahrscheinlich jede ist.
Beispiele für Elektronenkonfigurationen sind unten gezeigt. Jeder „Klecks“ ist ein Bereich, in dem Elektronen wahrscheinlich zu finden sind.
Warum ist das langsam? Elektronen fügen sich wie Puzzlestücke. Sie stoßen sich gegenseitig ab, sodass, wenn eines näher an einen Kern rückt, ein anderes weiter weg muss. Die stabilste Konfiguration zu finden, heißt eine erstaunliche Zahl von Anordnungen zu testen und zu prüfen, welche Elektronen nicht zu eng zueinander zwingen.
Physiker:innen knabbern seit Jahrzehnten daran. Mehrere Nobelpreise wurden für stufenweise Beschleunigungen vergeben. Doch kein Algorithmus löst es für Moleküle mit mehr als ~20 Atomen, sobald nur ein schweres Element involviert ist (schwerere Elemente wie Blei haben mehr Elektronen, sodass der Suchraum explodiert).
Was, wenn wir es könnten?
Wäre dies nicht so langsam, könnten wir eine computergestützte Chemiefabrik bauen: Milliarden Kandidatenmoleküle pro Tag testen und die besten finden.
🔋
Batterien für Jahrzehnte
🛣️
Autobahnen, die nie reißen
☀️
Sonnencreme ohne Krebsrisiko
In dieser Welt möchte ich leben. Leider kann das auf klassischen Computern nicht passieren. Diese Berechnungen dauern schlicht zu lange.
Quantencomputer können Elektronenkonfigurationen exponentiell schneller testen als gewöhnliche Computer. Sie werden die computergestützte Chemiefabrik ermöglichen. Das ist eine Billionen-Dollar-Chance.
Der globale Entschlüsseler
Das Internet ist sicher, weil wir den Verkehr zwischen Geräten verschlüsseln. Ein großer Teil dieser Verschlüsselung beruht auf einem Protokoll namens RSA.
Jeder Verschlüsselungsalgorithmus beruht auf Annahmen. Die meisten Annahmen von RSA sind in Ordnung. Außer einer:
Die Annahme
Eine 2048-Bit-Zahl in ihre beiden Primfaktoren zu zerlegen, dauert ~1015 Jahre (eine Billiarde Jahre) mit dem besten klassischen Algorithmus auf dem schnellsten Supercomputer, den die Menschheit gebaut hat. Das ist etwa 70.000-mal das Alter des Universums.
Es zeigt sich, dass Quantencomputer diese Zahlen leicht faktorisieren können. Quantencomputer können also Internetverkehr entschlüsseln.
Sie können mehr brechen. Wenn Sie Software herunterladen, prüft Ihr Computer, ob sie von einem bekannten Entwickler wie Microsoft, Adobe oder Apple signiert wurde. Auch diese Signaturprüfung beruht darauf, dass Faktorisieren nicht praktikabel ist. Wer einen ausreichend großen Quantencomputer hat, kann Software signieren und vorgeben, Microsoft zu sein – und Ihr Rechner vertraut ihr. Dieselbe Bedrohung gilt für Code-Signing, Bankzertifikate, VPN-Schlüssel, SSH-Zugang und die meisten kryptografischen Garantien, an die Sie täglich nicht denken.
Das ist ein reales und aktives weltweites Sicherheitsproblem. Viele Unternehmen migrieren zu Post-Quanten-Kryptografie: Algorithmen, die Quantenangriffen widerstehen sollen. Manche bewegen sich schnell. Die meisten nicht schnell genug.
Der Live-Geschäftsoptimierer(potenziell)
Unternehmen sind extrem ineffizient. Fortgeschrittene Firmen nutzen Optimierungsalgorithmen, um Ressourcen besser zuzuteilen. Beispiele:
- Investmentfirmen nutzen Portfolio-Optimierung, um zu entscheiden, wo sie Geld investieren.
- Hardware-Unternehmen verwandeln ihre Lieferketten in Optimierungsprobleme.
- Transportunternehmen lösen Routen- und Planungsprobleme, um Kund:innen zufriedenzustellen (und meist Geld zu sparen).
Die meisten dieser Optimierungen dauern Tage, manchmal Jahre. Live geht das nicht. Tatsächlich warten die meisten Firmen gar nicht, bis sie fertig sind. Sie brechen sie nach einer festen Zeit ab und liefern aus, was bis dahin die beste Antwort war. Das lässt Geld auf dem Tisch liegen.
Der ehrliche Vorbehalt
Quantencomputer könnten Optimierung deutlich schneller machen. Doch es gibt keine Garantien. Das ist das Problem in diesem Feld: Es ist fast unmöglich zu beweisen, dass eine Optimierungsmethode besser ist, bevor man sie auf echter Hardware testet. Die meisten Forschenden glauben, wir müssen auf größere Quantencomputer warten, um zu sehen, ob das aufgeht.
Wie es weitergeht
Quantencomputing hat noch einen weiten Weg vor sich. Doch es bringt die computergestützte Chemiefabrik, den globalen Entschlüsseler und den Live-Geschäftsoptimierer mit sich.
Werden Sie diejenige Person sein, die das Wirklichkeit werden lässt?