Quantum Computing – Definition, Funktion, Benefits und Beispiele

Mit dem rasanten Fortschritt künstlicher Intelligenz stoßen klassische Computer häufiger an ihre Grenzen. Denn: Um riesige Datenmengen zu verarbeiten, benötigen diese viel Zeit. Quantum Computing könnte das ändern. Die Technologie hat das Potenzial, Berechnungen durchzuführen, die für klassische Computer bislang unmöglich sind.

Doch wozu ist Quantum Computing heute in der Lage? Was kann die Gesellschaft von der Technologie in Zukunft erwarten? Wir erklären ausführlich, wie Quantum Computing funktioniert, wie es sich von Machine Learning und Artificial Intelligence (AI) unterscheidet und wie Unternehmen davon profitieren.

Das Wichtigste in Kürze

  • Quantum Computing ist eine Technologie, die es ermöglicht, deutlich komplexere Berechnungen durchzuführen als es Computer können.
  • Zukünftige Einsatzgebiete von Quantencomputern werden unter anderem Logistik, Finanzen und Fertigung sein.
  • Mit Konfuzio implementieren Unternehmen fortschrittliches Machine Learning in ihre Prozesse, wodurch sie effizienter und wettbewerbsfähiger arbeiten.
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Quantum Computing erklärt

Quantum Computing – auf Deutsch Quantencomputing oder Quanteninformatik – ist eine Technologie, die auf den Prinzipien der Quantenmechanik basiert. Statt klassischer Bits, die entweder 0 oder 1 sind, verwenden Quantencomputer sogenannte Qubits, die gleichzeitig 0 und 1 sein können. Das bedeutet für die Praxis: Sie sind in der Lage, deutlich komplexere Berechnungen als Computer oder Supercomputer durchzuführen. Sie verfügen über eine enorme Rechenleistung, die für bestimmte Aufgaben wie die Faktorisierung großer Zahlen oder die Simulation komplexer Moleküle von entscheidender Bedeutung sind.

Quantum Computing hat das Potenzial, die Welt der Verschlüsselung, künstlichen Intelligenz und Materialforschung zu revolutionieren.

Unternehmen und Forscher auf der ganzen Welt arbeiten daran, Quantencomputer zu entwickeln und ihre Anwendung zu erkunden. Obwohl die revolutionäre Technologie noch in den Kinderschuhen steckt, sind die Aussichten für die Zukunft vielversprechend. Wissenschaftler erwarten, dass die Quanteninformatik zahlreiche Probleme, wie das Travelling Salesman Problem, die Optimierung von Lieferketten und die Simulation komplexer biologischer Systeme,  lösen wird, die für klassische Computer derzeit unüberwindbar sind.

Wie funktioniert Quantum Computing?

Quantum Computing ermöglicht es, Probleme in Bereichen wie Kryptographie, Materialforschung und Prozessoptimierung auf eine Weise anzugehen, die für klassische Computer schwer zu bewältigen sind. Auf diese Weise eröffnen sich neue Möglichkeiten für wissenschaftliche Entdeckungen und technologische Fortschritte. Verantwortlich dafür sind die folgenden Funktionen und Features von Quantencomputern:

Supraleiter

Quantum Bits oder Qubits sind die Grundbausteine von Quantencomputern. Sie werden in speziellen Materialien, die als Supraleiter bekannt sind, eingeschlossen. Supraleiter ermöglichen es den Qubits, bei niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt zu arbeiten, wodurch störende thermische Effekte minimiert werden. Für die Praxis bedeutet das: Ein Quantemcomputer nutzt Supraleiter, um Qubits bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt zu halten, um ihre Stabilität zu gewährleisten.

Überlagerung

Qubits sind in der Lage, in Überlagerungszuständen zu existieren. Das heißt: Sie können gleichzeitig in mehreren Zuständen sein – im Gegensatz zu klassischen Bits, die entweder 0 oder 1 sind. Ein Quantencomputer ermöglicht es also, gleichzeitig Berechnungen für verschiedene Lösungen eines Optimierungsproblems durchführen, indem er Qubits in Überlagerungszuständen hält.

Verschränkung

Verschränkte Qubits sind miteinander verbunden, sodass eine Messung an einem Qubit den Zustand des anderen sofort beeinflusst – unabhängig von der Entfernung zwischen ihnen. In der Quantenkommunikation sind Forscher somit in der Lage, verschränkte Qubits zu verwenden, um eine sichere Kommunikation über weite Strecken zu ermöglichen. 

Interferenz

Quantum Interferenz nutzt die Eigenschaften von Wellenfunktionen aus, um Berechnungen effizienter durchzuführen, indem sie Ergebnisse miteinander verstärkt oder löscht. Ein Quantencomputer verwendet diese Interferenz, um die genaueste Lösung für ein komplexes mathematisches Problem zu finden. Dafür schwächt er unerwünschte Ergebnisse ab und verstärkt die gewünschten Ergebnisse.

Warum brauchen wir Quantum Computing?

Quantum Computing ist in der Lage, viele Probleme in der Wissenschaft und Gesellschaft schneller zu lösen als herkömmliche Computer. Für die Wissenschaftspraxis heißt das: Quantum Computing vertieft unser Verständnis der Welt und bietet uns innovative Lösungen für ungelöste Herausforderungen.

Mit Quantum Computing könnte die Gesellschaft daher in Zukunft beispielsweise komplexe Berechnungen in der Chemie, Medizin und Materialwissenschaft beschleunigen.

So würde die Technologie zum Beispiel neue Medikamente schneller entwickeln, indem wir die Wechselwirkungen von Molekülen besser verstehen. Außerdem könnten Unternehmen und öffentliche Einrichtungen Quantum Computing für die Verschlüsselung einsetzen, um die Sicherheit von Daten zu erhöhen.

Quantum Computing vs. Machine Learning

Quantum Computing und Machine Learning sind Arten von Computertechnologien, aber sie funktionieren auf unterschiedliche Weise. Quantencomputer verwenden Quantenbits oder Qubits, die anders als klassische Bits gleichzeitig 0 und 1 sein können. Das ermöglicht ihnen, bestimmte Probleme wie die Faktorisierung großer Zahlen schneller zu lösen als klassische Computer.

Maschinelles Lernen hingegen ist eine Softwaretechnologie, die es Computern ermöglicht, aus Daten zu lernen und Muster zu erkennen. Unternehmen und öffentliche Organisationen nutzen dies vor allem in Anwendungen wie Bilderkennung und Sprachübersetzung. 

Daneben ist die Reife der beiden Technologien ein wichtiger Unterschied. Das Maschinelle Lernen ist bereits Teil des Alltags zahlreicher Unternehmen, während Quantencomputer noch in der Entwicklung sind.

Der Fortschritt von Quantum Computing hat jedoch auch einen großen Einfluss auf Machine Learning.

Denn: In der künstlichen Intelligenz lösen Quantencomputer komplexe Optimierungsprobleme schneller, was auch die Weiterentwicklung in Bereichen wie maschinellem Lernen ermöglicht. Beispielsweise ist das Training von neuronalen Netzwerken, die in maschinellem Lernen zum Einsatz kommen, sehr rechenaufwendig. Quantencomputer könnten in Zukunft dazu beitragen, diese Trainingsprozesse zu beschleunigen und somit die Entwicklung fortschrittlicher Modelle zu ermöglichen. 

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Quantum Computing vs. Artificial Intelligence

Quantum Computing und Artificial Intelligence sind beides fortschrittliche Technologien, die sich in einigen Bereichen ergänzen, aber auch unabhängig voneinander nutzbar sind. Während Quantencomputer in der Lage sind, komplexe Berechnungen schneller zu erledigen als klassische Computer, ermöglicht künstliche Intelligenz es Maschinen, Aufgaben zu erlernen und menschenähnliche Entscheidungen zu treffen.

Quantum Computing kommt bisher noch nicht in alltäglichen Abläufen zum Einsatz. Das ist vor allem darauf zurückzuführen, dass die Hardware bisher noch nicht marktreif ist. In Zukunft könnte die Technologie jedoch in der Lage sein, komplexe Probleme in Bereichen wie Kryptographie zu lösen. Künstliche Intelligenz dagegen läuft auf herkömmlichen Computern. Sie findet Anwendung in Bereichen wie Bilderkennung und Sprachverarbeitung. Sie ist deutlich einfacher zugänglich, so dass sie heute bereits in allen Branchen zum Einsatz kommt. 

Benefits von Quantum Computing

Auch wenn Quantum Computing noch in den Kinderschuhen steckt und nur wenige Unternehmen wie Google, IBM und Microsoft an der Entwicklung der Technologie arbeiten, ist das Potenzial für alle Branchen riesig. Welche möglichen Benefits bringt Quantum Computing mit? 

Schnellere Berechnungen

Quantum Computing ermöglicht Berechnungen, die exponentiell schneller sind als herkömmliche Computer. Ein Quantencomputer ist beispielsweise in der Lage, komplexe Kryptographie-Algorithmen wie RSA oder ECC in Sekunden zu entschlüsseln, während herkömmliche Computer dafür viele Jahre benötigen. Dies hat weitreichende Auswirkungen auf die Sicherheit von Datenübertragungen und -speicherung.

Optimierung

Quantencomputer ermöglichen es, komplexe Optimierungsprobleme in Bereichen wie Logistik, Finanzen und Materialwissenschaften effizienter zu lösen. Stellen Sie sich vor, ein Unternehmen möchte seine Lieferkette optimieren, um Transportkosten zu minimieren und Lieferzeiten zu verbessern. Ein Quantencomputer berücksichtigt unzählige Variablen, um die besten Entscheidungen in Echtzeit zu treffen. Das führt zu enormen Einsparungen und Effizienzgewinnen.

Simulation von Quantensystemen

Quantencomputer simulieren Quantensysteme, was für die chemische Forschung nützlich ist. Denn: In der chemischen Forschung ist die Simulation von Molekülen und quantenmechanischen Prozessen äußerst aufwändig. Ein Quantencomputer führt diese effizient durch, was die Entwicklung neuer Medikamente beschleunigt, da Wissenschaftler die Wechselwirkungen zwischen Molekülen besser verstehen.

Künstliche Intelligenz

Quantum Computing beschleunigt das Training von Machine-Learning-Modellen, was in Anwendungen wie Bilderkennung und Sprachverarbeitung hilfreich ist. In der Praxis bedeutet das, dass Anwendungen wie die Bilderkennung in der Lage sind, schneller und genauer zu arbeiten. Dies ist besonders nützlich in Bereichen wie der medizinischen Bildgebung oder der automatisierten Qualitätssicherung in der Fertigung.

Verschlüsselung

Quantenkommunikation ermöglicht eine sichere Verschlüsselung, da das Abhören von Daten durch Quantenprinzipien erkannt wird. Ein Beispiel hierfür ist die sogenannte Quantenschlüsselverteilung, Bei dieser tauschen Parteien quantenverschlüsselte Schlüssel aus, die extrem sicher gegen Abhörversuche sind, da jede Störung des Schlüssels sofort erkannt wird. Das ist vor allem für die Finanzbranche eine wichtige Funktion.

quantum computing use case

Use Case von Quantum Computing

Quantum Computing kommt dort zum Einsatz, wo enorme Datenmengen verarbeitet werden müssen. Um die Funktionsweise besser zu verstehen, lassen Sie uns einen Blick auf einen Use Case werfen:

Herausforderung

In der medizinischen Forschung stehen Wissenschaftler oft vor der Herausforderung, die genetischen Ursachen seltener, aber schwerwiegender Krankheiten zu identifizieren. Ein konkretes Beispiel ist die Suche nach den genetischen Ursachen für eine seltene Form von juveniler Muskeldystrophie, die bisher unklar ist. Die Analyse der riesigen Menge an Genomdaten von betroffenen Patienten ist eine zeitaufwändige Aufgabe, die herkömmliche Computer überfordert.

Quantum Computing Lösung

Quantum Computing beschleunigt in diesem Fall die Genomanalyse erheblich:

Schnellere Mustererkennung

Ein Quantencomputer identifiziert innerhalb von Stunden statt Wochen Muster und Mutationen in den Genomen der Patienten, die mit der Muskeldystrophie in Verbindung stehen könnten.

Massive Datenauswertung

Die enorme Verarbeitungskapazität eines Quantencomputers ermöglicht die parallele Analyse von Hunderten von Genomsequenzen. Dies beschleunigt den Vergleich von Patientendaten und unterstützt die Identifizierung gemeinsamer genetischer Varianten.

Simulation komplexer biologischer Prozesse

Quantencomputer simulieren die Wechselwirkungen zwischen defekten Genen und den betroffenen Muskelfasern auf atomarer Ebene. Dies hilft, die genauen Mechanismen der Krankheit zu verstehen und die Entwicklung von Therapien zu fördern.

Praktisches Beispiel

Angenommen, ein Forscherteam steht vor der Herausforderung, die genetischen Ursachen für eine seltene Form der juvenilen Muskeldystrophie zu finden. Sie haben Zugriff auf Genomdaten von 200 betroffenen Patienten und ihren Familien. Mit einem nutzbaren Quantencomputer sind sie in der Lage,

  • in Stunden anstelle von Monaten genetische Muster zu identifizieren, die mit der Krankheit in Verbindung stehen,
  • gemeinsame genetische Varianten zwischen den Patienten zu identifizieren, die bei der Entwicklung einer Therapie hilfreich sein könnten und
  • atomare Simulationen durchzuführen, um die Funktionsweise der defekten Gene aufzudecken und gezielte Therapieansätze zu entwickeln.

Grenzen von Quantum Computing

Quantum Computing bringt einige Herausforderungen mit, die Forscher heute bisher nicht lösen können. Sie treffen dabei immer wieder auf diese Grenzen der Technologie:

BegrenzungErklärung
FehlertoleranzQuantencomputer sind anfällig für Fehler aufgrund von Umwelteinflüssen wie Temperaturschwankungen. Dies führt dazu, dass Qubits verloren gehen und die Genauigkeit von Berechnungen beeinträchtigt wird.
Quantum-Bit-KohärenzzeitDie Kohärenzzeit der Qubits ist begrenzt. Das heißt: Qubits speichern und verarbeiten Informationen nur für eine begrenzte Zeit. Wenn Qubits zu lange benötigen, um Informationen zu behalten, werden Berechnungen unpraktikabel.
Quantum-Bit-KonnektivitätDas Verbinden von Qubits über größere Entfernungen ist schwierig, da die Kopplung von Qubits mit zunehmendem Abstand ineffizient wird. Dies schränkt die Skalierbarkeit ein.
Fehlende universelle Quanten-AlgorithmenEs gibt nur eine begrenzte Anzahl bekannter Quanten-Algorithmen, die klassische Probleme schneller lösen. Bisher existiert kein effizienter Quantenalgorithmus für alle NP-vollständigen Probleme.
Erforderliche KühlungQuantencomputer müssen auf niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden, um Quanteneffekte zu erhalten. Dies macht den Betrieb kostspielig und unpraktisch.
QuantumfehlerkorrekturUm Fehler in Quantencomputern zu korrigieren, sind spezielle Fehlerkorrekturcodes nötig. Diese Codes erfordern zusätzliche Qubits und Ressourcen.
Eingeschränkte Hardware-VerfügbarkeitQuantum-Hardware ist noch nicht weit verbreitet und schwer zugänglich, was die Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet einschränkt.
Quantumsoftware-KomplexitätDie Programmierung von Quantemcomputern erfordert spezielle Fähigkeiten und ist komplex. Dies begrenzt den Zugang zu Quantum Computing für viele Entwickler.
Quanten-Heisenberg-UnsicherheitsprinzipDas Messen von Zuständen in einem Quantensystem beeinflusst diese Zustände und erschwert so präzise Messungen und Berechnungen.
Quanten-Teleportation und -KommunikationDas Senden von Quanteninformation über große Entfernungen ist begrenzt durch das No-Cloning-Theorem, was die Effizienz der Quantenkommunikation einschränkt.

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    Avatar von Jan Schäfer

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