Willkommen im Zeitalter des Quantencomputers

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Quantum

Quantencomputer verschieben die Grenzen von Computing, wie wir es kennen. Doch was genau macht sie so aussergewöhnlich?

Ein Beispiel: Um komplexe globale Probleme wie die Folgen des Klimawandels anzugehen, bräuchten die derzeit fortschrittlichsten «klassischen» Computer Billionen von Jahren – so lange, wie das Universum insgesamt existiert. Ein Quantencomputer hingegen könnte mithilfe von Berechnungen bereits in wenigen Stunden Lösungen finden.

«Ein Quantencomputer ist in der Lage, die Natur zu modellieren. Mit klassischen Computern können wir diese Prozesse nicht wirklich verstehen», so Krysta Svore, Entwicklungsleiterin von Microsoft-Software für Quantencomputer sowie von Quantensimulatoren.

Mit Quantencomputern ist es möglich, bestimmte komplexe Phänomene besser zu modellieren als mit klassischen Rechnerarchitekturen. Deshalb sind die potenziellen Anwendungsgebiete für Quantencomputing so vielfältig. Bei der Lösung einiger der großen Probleme unserer Zeit kommen Quantencomputer wie Microsoft Azure Quantum bereits unterstützend zum Einsatz.

Azure Quantum bringt Quantencomputer in die Cloud

Azure Quantum ist ein offenes Cloud-Ökosystem von Quantum-Partnern und -Technologien und bietet vielfältige Anwendungsbereiche. Unter anderem nutzt der Autohersteller Ford bereits Azure Quantum, um das weltweite Problem von Verkehrsstaus anzugehen. Heutige Navigations-Technologien nutzen Algorithmen, welche allein für das eigene Fahrzeug die bestmögliche Fahrroute planen. Durch Quantencomputing ist in der Zukunft ein effizienteres Zusammenspiel der einzelnen Navigationssysteme für eine Milderung von Staus umsetzbar.

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So unterscheiden sich Quantencomputer von klassischen Computern

Neue Herausforderungen erfordern neue Maschinen. Klassische Computer wurden einst entwickelt, um hintereinander durchgeführte Abläufe in der Buchhaltung zu automatisieren. Heute benötigen wir Rechner, die bei wichtigen aktuellen Herausforderungen wie dem Klimawandel und der Bekämpfung von Krankheiten unterstützen. Möglich ist das, weil im Quantenbereich grundlegend andere Spielregeln gelten als für das klassische Computing.

Das zeigt sich an der Art der Informationen, die verarbeitet werden. Ein klassischer Computer arbeitet mit sogenannten Bits als Speicher- und Informationseinheit, welche die binären Zustände 0 und 1 annehmen können. Übereinstimmend dazu arbeitet ein Quantencomputer mit sogenannten quantum Bits oder Qubits. In diesen Qubits verbirgt sich der Kern des Quantencomputers: Anders als klassische Bits können sie 0 und 1 gleichzeitig sein. Diese Zustände werden Quantenüberlagerung genannt. Die Quantenüberlagerung bietet den Vorteil, dass ein Quantencomputer alle möglichen Lösungen eines Problems gleichzeitig prüfen kann, während ein klassischer Computer alle Möglichkeiten nacheinander prüft.

Frau mit Brille. Sie trägt Handschuhe und arbeitet an einem technischen Gerät.

Bei der sogenannten Quantenverschränkung kommt ein weiterer Vorteil des Quantencomputers zum Tragen. Dabei sind mehrere Qubits miteinander verbunden. Wird ein verschränkter Qubit in einen bestimmten Zustand versetzt, ändert sich auch der Zustand der anderen miteinander verschränkten Qubits – auch über grosse Distanzen. Und das ohne Zeitverzug, schneller als Licht. Diese immense Rechenleistung steigert sich mit jedem weiteren verschränkten Qubit nicht linear, sondern exponentiell.

Einige Herausforderungen sind bei der Konzeption von Quantencomputern derzeit noch zu lösen. Die wohl grössten Hürden sind es, einerseits eine Skalierung der Qubits im Prozessor zu erreichen und andererseits deren Fehlerrate zu senken. Was es damit auf sich hat, zeigt dieses Video:

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Microsoft setzt bei der Entwicklung von Quantencomputern auf die sogenannten topologischen Qubits. Sie sind eine robuste Art der Qubits, welche die Basis für ein skalierbares, zuverlässiges und universell einsetzbares Quantencomputing-System bilden werden. Wir forschen und entwickeln an Full Stack Quantencomputern, die mit Azure Quantum aus der Cloud nutzbar sind. Zusätzlich bauen wir ein Quantum Ökosystem auf, um unter anderem Partner und Forscher zu unterstützen.

Quantencomputing erfordert teilweise fundamental neue Skillsets. Derzeit etablierte Problemlösungswege müssen somit überdacht werden. Damit wir heute damit beginnen können, stellen wir mit dem Quantum Development Kit Open Source-Programmierwerkzeuge bereit.

Quantum-Forschung mit ETH Zürich im Einsatz für das Klima 

Der Klimawandel ist fraglos eine der weltweit grössten Herausforderungen. Microsofts Quantum-Forschungsteam hat es sich deshalb zum Ziel gesetzt, gemeinsam mit Forschern der ETH Zürich eine effiziente Lösung für die sogenannte CO2-Fixierung zu finden. Bei der CO2-Fixierung geht es darum, das Treibhausgas CO2 aus der Atmosphäre zu entfernen und in wertvolle chemische Stoffe umzuwandeln.

Mithilfe der Rechenleistung von Quantencomputing fand das Forschungsteam einen möglichen Katalysator, der bei dem Prozess zur Reduktion von Treibhausgasen in der Atmosphäre nützlich ist.

Auch im Bereich der nachhaltigen Landwirtschaft kann Quantenarchitektur zukünftig dabei helfen, mehr und mehr Menschen auf dem Planeten zu ernähren und gleichzeitig die Auswirkungen auf die Umwelt zu minimieren:

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Quantencomputer stehen noch am Anfang, aber klar ist: Sie haben das Potenzial, unsere Welt nachhaltig zu verändern. Weitere spannende Einblicke in die Welt des Quantencomputing gibt die Reihe «Quantum Impact». Unser Quantum-Blog liefert einen Überblick über aktuelle Entwicklungen rund um Quantencomputer.

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