Quantencomputer besitzen das Potential unsere Gesellschaft maßgeblich zu verändern.
Was vor fast 40 Jahren als visionäres aber aussichtsloses Vermächtnis eines genialen Physikers begann, beginnt in diesen Tagen Wirklichkeit zu werden.
Ziel meines freien Online-Buches „quantencomputer-info.de“ ist es, umfassend und stets aktuell über die rätselhafte Technologie zu informieren. Alles was Sie dafür mitbringen müssen ist eine ordentliche Portion Neugierde.
Quantencomputer: Ein Informationsvakuum
Der Begriff „Quantencomputer“ taucht regelmäßig in den Technologie-Nachrichten der Mainstream-Medien auf. Die vereinzelten und vagen Meldungen, die Sie dort finden, können meiner Meinung nach kein zufriedenstellendes Bild vermitteln. Aber wie auch? Dafür ist das Thema viel zu schwierig und zu vielschichtig: Um die Quantencomputer einigermaßen zu erfassen, muss man weit hinter die Kulisse der üblichen Erklärungen zur Quanten-Welt und Informatik schauen.
Dafür gibt es eine Vielzahl von komplizierten, sehr mathematischen Lehrmaterial von Hochschulen zu Quantencomputern. Aktuelle Entwicklungen zur Quantencomputer-Forschung können Sie hauptsächlich nur in noch viel anspruchsvolleren wissenschaftlichen Fachartikeln verfolgen. Das setzt ein ungeheures Vorwissen in der Quantenmechanik und in Mathematik voraus.
Wie soll sich aber eine breitere Öffentlichkeit ein klares Bild von der Funkionsweise, dem Entwicklungsstand und den Möglichkeiten der neuen Technologie machen, der man wahre Wunder nachsagt? Ist es überhaupt möglich, auch Technik-interessierten Laien das Thema fundiert zu vermitteln? Wie kann man zwischen Hype und den echten Chancen dahinter unterscheiden? Sind die, mittlerweile beträchtlichen, Fördergelder dafür irgendwie gerechtfertigt?
Insbesondere für Entscheider in der Technologiebranche wird irgendwann in der näheren Zukunft der Zeitpunkt kommen, an denen sie entscheiden müssen, ob ihr Unternehmen in die neue Technologie „Quantencomputer“ investieren sollte. Informatiker und IT-ler müssen für sich persönlich abwägen, ob sie sich auf den beschwerlichen Weg machen sollten, um sich Knowhow in dem neuen Bereich „Quantencomputer“ anzueignen. Ein Bereich, der so komplett anders ist als jeder andere in der Informatik.
quantencomputer-info.de soll dabei helfen dieses Informationsvakuum mit Leben zu füllen. Auf den nächsten Seiten werde ich Ihnen ein relativ genaues Verständnis für Quantencomputer vermitteln. Ich werde die Grundlagen erklären und auch gezielt auf Themen aus der aktuellen Entwicklung und Forschung eingehen.
Dabei werde ich fast vollständig auf mathematische Formeln verzichten und das Wesen hinter den Quantencomputern eher bildlich beschreiben. Anstatt auf Exaktheit lege ich den Fokus also auf ein sehr gutes, qualitatives Verständnis. Deshalb soll diese Internetseite auch ein Ausgangspunkt sein, um in die so ungeheuer komplizierte Materie einzusteigen und dabei den Wald vor lauter Bäumen noch zu sehen. Sowohl im deutschen als auch im englischsprachigen Raum werden Sie wohl keine zweite Internetseite finden, die diesen Anspruch auf diese Weise erfüllt … Das meine ich zumindest. 
Insbesondere werde ich Ihnen folgende Fragen genauer beantworten:
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- Was genau ist ein Quantencomputer?
- Wie funktioniert ein Quantencomputer?
- Was ist die Quanten-Überlegenheit?
- Warum dieser Hype um Quantencomputer?
- Welche Quantencomputer gibt es jetzt schon und welche wird es demnächst geben?
- Was sind die absehbaren Anwendungsgebiete für Quantencomputer?
- Was genau ist ein „Qubit“?
- Wie sehen Quantenprogramme eigentlich aus?
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Dabei halte ich die Antworten auf diese Fragen aktuell und gehe regelmäßig auf neue Entwicklungen ein.
Als selbständiger IT-Berater und theoretischer Physiker hat mich vor vielen Jahren die Begeisterung für das Quantencomputing gepackt, und seitdem habe ich mir ein tiefes Knowhow und Verständnis darin erarbeitet. „quantencomputer-info.de“ ging im Frühjahr 2018 online und ist mein erstes Quanten-Projekt. Die Webseite erreicht mittlerweile ein immer größeres Publikum und rangiert im Google-Ranking derzeit … (Trommelwirbel bitte) … ganz vorne direkt hinter Wikipedia. Ich verfolge die Entwicklungen auf dem Markt und aktuelle wissenschaftliche Veröffentlichungen sehr genau und arbeite die Erkenntnisse daraus in die Webseite ein. Mittlerweile berate ich Unternehmen beim Einstieg in das Quantencomputing, halte Vorträge dazu, und kann mich glücklich schätzen ein Teil der Quantencomputing-Community hier in Deutschland zu sein. Melden Sie sich gerne über mein Impressum bei mir, falls Sie Rückfragen zu einzelnen Themen haben oder mit mir Kontakt aufnehmen wollen.
quantencomputer-info.de: Ein Online-Buch
Meine Internetseite ist zum Einen als Online-Buch gedacht, das Sie von vorne bis hinten durchlesen können. Mittlerweile umfasst es über 130 Din A4-Seiten und weit über 250 Referenzen auf wissenschaftliche Artikel und Vorträge, die ich über Jahre hinweg gesammelt habe (dank arxiv.org, Youtube, Wikipedea und Co sogar online frei zugänglich).
Falls Sie lieber gezielt einzelne Artikel lesen, was natürlich auch gut geht, möchte ich Ihnen trotzdem meine umfangreiche Einführung „Der unglaubliche Quantencomputer einfach erklärt“ ans Herz legen. Wirklich, Sie sollten sie lesen:
Auch wenn Sie bereits einige grundlegende Dinge über die Quantencomputer erfahren haben, so haben Sie vermutlich noch nie ein richtiges Bild über die Quanten-Verschränkung gesehen. Eventuell haben Sie auch noch keinen Eindruck davon bekommen können, wie ein Quantencomputer-Programm wirklich aussieht … geschweige denn, wie Sie eines schnell mal selbst online ausprobieren können. Außerdem erkläre ich Ihnen hier auf einfache Weise und sehr bildlich, wie ein bekannter Such-Algorithmus für Quantencomputer (der „Grover-Algorithmus“) in etwa funktioniert.
Letzteren führe ich dann nochmal viel genauer in dem Spezial-Artikel „Der Grover-Algorithmus und die Suche nach dem heiligen Gral“ aus. Nach der Lektüre können Sie das Programm tatsächlich verstehen, inklusive der merkwürdigen Quanten-Logik! Dabei erkläre ich Ihnen auch, welche Bedeutung der Algorithmus für das vielleicht größte offene Rätsel der Computer-Wissenschaften hat: Dem „P=NP“-Problem, das eines der „Eine-Millionen-Dollar“-Probleme ist.
In meinem Artikel „Quantencomputer programmieren mit IBMs Qiskit“ stelle ich Ihnen vor, wie man den Grover-Algorithmus für die Quantencomputer von IBM im Detail programmiert.
Falls Sie eher an dem aktuellen Stand der Technik interessiert sind, sollten Sie sich einen meiner meistgelesenen Artikel ansehen: In „Welche Quantencomputer gibt es jetzt schon?“ erfahren Sie auf 25 Seiten (+ 10 Seiten Erläuterungen und Referenzen) alle Details über die heutige Quantencomputer-Industrie: Die Hersteller, ihre verschiedenen Hardware- und Software-Ansätze, das Portfolio und die Pläne für die Zukunft, Möglichkeiten und Grenzen der aktuellen Systeme (diesen Artikel ergänze und aktualisiere ich übrigens regelmäßig).
Ende 2019 sorgten Googles Quantencomputer „Sycamore“ und eine spezielle Quanten-Berechnung darauf für viel Wirbel. In meinem umfangreichen Artikel „Googles Nachweis der Quanten-Überlegenheit“ erläutere ich Ihnen die Hintergründe und die Tragweite zu diesem wohl großen Ereignis, die spannenden Entwicklungen im Vorfeld und die Details, wie Googles Team der Nachweis am Ende gelungen. Dabei stelle ich Ihnen Googles Quantenalgorithmus (das „Quantum Random Circuit Sampling“) genauer vor und demonstriere anhand eines netten, kleinen Beispieles warum kein Supercomputer diese Berechnung mit vertretbarem Aufwand durchführen kann (inklusive IBMs „Summit“).
Welche konkreten Anwendungsgebiete gibt es für Quantencomputer? Die Antwort auf diese Frage erhalten Sie in dem Artikel „Anwendungen für Quantencomputer“, den ich ebenfalls aktuell halte. Hier erfahren Sie viel über die aktuell vielversprechendsten Quanten-Algorithmen. In meinem vertiefenden Artikel „Künstliche Intelligenz und Machine Learning mit Quantencomputern“ erfahren Sie dann u.a., wie eine brillante Teenagerin im Sommer 2018 der kompletten Forschergemeinde den Boden unter den Füßen weghaut.
Wenn Sie genug Ausdauer haben und noch mehr über das Wesen der Quantencomputer, der Quanten-Logik und überhaupt über die Quantenmechanik erfahren wollen, empfehle ich Ihnen den Artikel „Das Qubit und ein Magier bei Britain has Got Talent“. Hier bekommen Sie unter anderem einen Eindruck davon, wie sehr das ganze Thema an pure Zauberei erinnert … am Beispiel eines berühmten und ziemlich beeindruckenden Zaubertricks in der englischen Talentshow. Außerdem „spule“ ich zurück nach Helgoland ins Jahr 1925, zur Geburtsstunde der Quantenmechanik und zu Werner Heisenbergs „Magischen Aufsatz“. Dabei erkläre ich Ihnen seine berühmte „Unschärferelation“ am Beispiel eines Qubits. Diese und die anderen Erklärungen in dem Artikel, anhand von einfachen Zeigerdiagrammen, sind übrigens über einen längeren Zeitraum hinweg entstanden. In so einer Form hätte ich sie mir tatsächlich auch für mein Physikstudium gewünscht.
Und was Sie auch lesen sollten …
Ach, vergessen Sie es. Wenn ich es mir recht überlege: Vermutlich sollten Sie doch einfach alles lesen.
Aber ich muss Sie warnen. Die Quantenmechanik und somit die Quantencomputer sind auf faszinierende Art und Weise mit Nichts vergleichbar, mit dem Sie sich bisher beschäftigt haben. Um sie zu erfassen ist ein gewisser Aufwand und viel Neugierde notwendig … Was ich damit sagen will, drückt Morpheus in dem Science-Fiction-Klassiker „Die Matrix“ noch am Besten aus:
„Das ist deine letzte Chance. Danach gibt es kein zurück. Nimm die blaue Pille — die Geschichte endet… Nimm die rote Pille — du bleibst hier im Wunderland und ich werde dir zeigen wie tief das Kaninchenloch reicht.”
Das „Quantencomputer-Zeitalter“
Quantencomputer werden vermutlich nach und nach das Tor zu einer neuen Welt öffnen. Diese Welt wird so bizarr und anders sein, dass die Forschung erst langsam einen Eindruck davon bekommt, was darin möglich sein wird. Es ist die Welt der Quanten-Berechenbarkeit und der Quanten-Komplexität. Durch die Quantencomputer werden die rätselhaften Quanteneffekte für unsere „Ära der Algorithmen“ erschlossen.
Die Erschließung der Quantenmechanik hat bereits das Industriezeitalter im Laufe der letzten 100 Jahre revolutioniert. Bahnbrechende Entwicklungen wie die Halbleiter, Transistoren, Dioden, Laser und viele weitere bilden das Herzstück unserer modernen, technologischen Gesellschaft. In allen möglichen Geräten unseres täglichen Lebens sind sie zu finden (wie den Computern, dem Internet, Smartphones, Fernsehern, …). Diese bahnbrechenden Technologien sind allerdings das Resultat von Quanteneffekten von riesigen Massen von Atomen und Lichtteilchen.
Quantencomputer sind stattdessen so etwas wie die digitale Version der Quantenmechanik: Sie verzahnen und verändern auf filigranste Weise einzelne, elementare Quantenzustände. Die Andersartigkeit der Quantenwelt besitzt das Potential das Wesen von grundlegenden Algorithmen mit ihrer „Quanten-Logik“ komplett umzukrempeln. Wir werden völlig neue und extrem abgekürzte Rechenwege entdecken und hoffentlich auch beschreiten können, die sonst unmöglich wären.
Am Beispiel eines Aufzuges an einem Hochhaus können Sie erahnen, was ich mit „völlig neue Wege“ meine
Seit über drei Jahrzehnten findet intensive Forschung zu dem Thema Quantencomputer statt. Erste experimentelle Quantencomputer wurden im Laufe der letzten 20 Jahre in Forschungseinrichtungen gebaut. Längst haben die Tech-Riesen Google, IBM, Microsoft & Co das bahnbrechende Potential der Technologie erkannt und führende Physiker, Informatiker und Mathematiker angeworben, um die Entwicklung der ersten kommerziellen Quantencomputer zu befeuern. Als Resultat stehen jetzt die ersten kleinen Quantencomputer in der Cloud.
Verfügbar für jedermann.
Quantencomputer: Der einfachste Weg, die Quantenmechanik zu verstehen
Einen weiteren Punkt finde ich persönlich noch wichtig: Ein Quantencomputer ist letztendlich das einfachste Mehrteilchen-System in der Quantenmechanik. Wenn Sie die Funktionsweise eines Quantencomputers verstanden haben, haben Sie zwischen den Zeilen auch sehr viel über die Quantenmechanik erfahren. Zu grundlegenden Themen der Quantenmechanik ist es dann manchmal nur ein kleiner Schritt. Deshalb werde ich immer wieder auf einige dieser Themen eingehen: Vielleicht haben Sie von dem „Welle-Teilchen-Dualismus“ gehört oder von „Schrödingers Katze“ oder von „Heisenbergs Unschärferelation“, der Existenz von „Paralleluniversen“. Oder was hat die Quantenmechanik mit „Wurmlöchern“ im Weltraum zu tun? Wenn Sie die Ausdauer haben, werden Sie hier einiges darüber erfahren.
Ich selbst habe theoretische Physik und Mathematik studiert. Seit fast 20 Jahren bin ich jetzt als IT-Berater für große Unternehmen tätig. Meine Faszination für die Quantenmechanik habe ich dabei nie verloren. Nicht nur in meinen Augen ist sie wie Zauberei: Nur in echt. Mit den Quantencomputern bekommen wir jetzt die Zauberkästen dazu. Aber schaffen wir es auch damit richtig zu zaubern?
Ich verfolge sehr genau, wie diese ganz neue Branche entsteht und sich immer weiterentwickelt. Und vor einer Weile habe ich beschlossen diesen Weg für Leute wie Sie zu dokumentieren.