Shohini Ghose, Professorin für Quantenphysik und Computerwissenschaften, vor einem blauen Hintergrund.
Shohini Ghose

Die Zukunft der Quantencomputer

Im Gespräch mit der Professorin für Quantenphysik und Computerwissenschaften

7 Minuten

10.09.2020

Quantenrechner revolutionieren die Computertechnik und ebnen den Weg für Innovationen – beispielsweise in der Medizin und dem Internet der Dinge. Shohini Ghose erklärt, was die Quantencomputer so besonders macht.

Shohini Ghose erklärt während eines Interviews wie Quantencomputer funktionieren.

Die Arbeit von Shohini Ghose beginnt dort, wo unsere Logik endet. Die Physikerin befasst sich mit Quantenmechanik – und dort ist theoretisch möglich, was uns eigentlich unvorstellbar scheint: dass sich Dinge an mehreren Orten gleichzeitig befinden. „Das ist sehr aufregend. Wir beobachten diese mikroskopischen Teilchen indirekt und entwickeln eine Erklärung für die verborgene Welt der Quanten“, sagt Ghose. Klingt erstmal nach Science-Fiction, hat in der Realität aber einen konkreten Nutzen, denn die Quantenmechanik könnte die Computertechnik revolutionieren. Was das bedeutet, erklärt Ghose so: „Quantencomputer sind nicht einfach nur eine schnellere Version unserer heutigen Computer. Sie arbeiten nach den Gesetzen der Quantenphysik. Das ist so, als ob man eine Glühbirne mit einer Kerze vergleicht.“

„Quantencomputer können Rechenaufgaben erledigen, die selbst für die besten Computer von heute unerreichbar sind.“

Shohini Ghose, Professorin für Quantenphysik und Computerwissenschaften

Eins? Null? Alles dazwischen!

Kommen bei herkömmlichen Computern Bits als kleinste elektronische Speichereinheit zum Einsatz, rechnen Quantencomputer mit Quantenbits – kurz Qubits. Diese sprengen den gebräuchlichen Binärcode aus Nullen und Einsen, weil sie beliebig viele Überlagerungszustände einnehmen können. Anders gesagt: Sie nehmen jeweils mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit den Zustand Null oder Eins an. Dieser „Superposition“ genannte Zustand ist mit nichts aus unserer alltäglichen Welt vergleichbar, lässt sich aber anhand eines Bildes einfach erklären: Man kann sich ein Qubit wie eine Kugel vorstellen, an deren Nordpol die Eins und an deren Südpol die Null steht. Während ein Bit in einem klassischen Computer entweder im Zustand Null oder Eins ist, kann das Qubit alle Zwischenzustände, die sich auf der Kugeloberfläche befinden, annehmen.

Durch diese Superposition können Qubits parallele Rechenoperationen ausführen. „Das bedeutet, dass wir Rechenaufgaben erledigen können, die selbst für die besten Computer von heute unerreichbar sind. Wir können Berechnungen dadurch schneller durchführen und große Datenmengen rascher durchsuchen“, sagt Ghose. Eine künstliche Intelligenz, die riesige Datenmengen auswerten soll, könnte davon ebenso profitieren wie die Materialien- und Medikamentenforschung. „Zukünftige Quantensimulationen, die im großen Stil durchgeführt werden, könnten vielleicht zu Behandlungen von Krankheiten wie Alzheimer führen“, meint Ghose. Dafür müssen Atomstrukturen exakt analysiert werden – was selbst für Großrechner, wie sie derzeit von Wissenschaftlern verwendet werden, schwierig ist.

„Die Quantentechnologie ist der einzige Weg, um das Internet und die Kommunikation im Internet der Dinge wirklich sicher zu machen.“

Shohini Ghose, Professorin für Quantenphysik und Computerwissenschaften

Das Ende aller Hacker-Angriffe?

Darüber hinaus können Quantencomputer auch die Kommunikation sicherer machen, indem sie Informationen teleportieren. Wieder ein Begriff, den man mit SciFi-Blockbustern assoziiert. Doch in der Quantenmechanik steckt das Phänomen der „Verschränkung“ dahinter: Dabei sind zwei Qubits so miteinander verknüpft, dass eine Veränderung an dem einen auch eine Veränderung an seinem Partner-Qubit bewirkt. Dies geschieht ohne zeitliche Verzögerung, über jede Distanz hinweg und natürlich ohne jede physische Verbindung wie Kabel oder Funkwellen.
Auf dieser Grundlage könnten Codeschlüssel für die Datenübertragung erstellt werden. Der Clou: Bei jedem unerlaubten Eingriff – zum Beispiel einem Hacker-Angriff – ändert sich der Quantenzustand des Qubits. Die Kommunikationspartner würden dies als Störung in ihrer Kommunikation wahrnehmen, wären somit gewarnt und könnten einen neuen Schlüssel verwenden. „Die Quantentechnologie ist der einzige Weg, um das Internet und die Kommunikation im Internet der Dinge wirklich sicher zu machen“, sagt Ghose, die mit ihrem Team an solchen Verschlüsselungsprotokollen arbeitet.

-273,13° Celsius

Kühltemperatur benötigen Quantencomputer, um stabile Energiezustände zu erreichen, in denen sie mit ihren Qubits zuverlässig rechnen können.

Warum wir über Quantenrechner diskutieren müssen

Die immense Leistungsfähigkeit von Quantencomputern wirft allerdings auch ethische Fragen auf. Zum einen verbrauchen sie derzeit sehr viel Strom, weil ihre Chips in sogenannten Verdünnungskühlschränken aufwändig mit flüssigem Helium auf -273,13° Celsius heruntergekühlt werden müssen. Zum anderen besteht die Gefahr, dass die Technologie in falsche Hände gerät: Sollte es Kriminellen gelingen, einen Quantencomputer zu bauen, könnten sie diesen für Hackerangriffe nutzen. Sie wären dann in der Lage, sämtliche Daten zu knacken, die auf der Basis von herkömmlichen Rechnern verschlüsselt sind. Ghose plädiert deshalb für eine gesellschaftliche Diskussion über Quantencomputer: „Ich hoffe, dass wir diese Technologie nicht erst regulieren und kontrollieren, wenn sie bereits im Einsatz ist.“ Dann, so ist sie überzeugt, kann es gelingen das riesige Potential der Quanten-Revolution in die richtigen Bahnen zu lenken.

Interview mit Dr. Shohini Ghose, Professorin für Quantenphysik und Computerwissenschaften

Ein Portraitfoto von Shohini Ghose, Professorin für Quantenphysik und Computerwissenschaften.

Dr. Shohini Ghose

Professorin für Quantenphysik und Computerwissenschaften an der Wilfrid Laurier University in Waterloo, Kanada

Durch Quantentechnologie können Informationen so verschlüsselt werden, dass sie niemals manipulierbar sind – egal, wie gut die Hacker sein mögen.

Shohini Ghose wuchs in Indien auf und studierte später Physik und Mathematik an der University of Miami und der University of New Mexico, USA. 2003 arbeitete sie als Postdoktorandin an der University of Calgary in Kanada und wurde ein Jahr später als Professorin an die Wilfrid Laurier University berufen. Gemeinsam mit dem Team ihres Kollegen Poul Jessen von der University of Arizona gelang es Ghose, an Cäsium-Atomen erstmals eine Verbindung zwischen der Chaos-Theorie und der Quantenverschränkung aufzeigen. Darüber hinaus engagiert sie sich als Gründerin und Direktorin für das Laurier Centre for Women in Science und ist die Präsidentin der Canadian Association of Physicists.

Fazit

Quantencomputer rechnen mit sogenannten Quantenbits, wodurch sie leistungsfähiger sind als herkömmliche Rechner. Unter anderem ermöglicht das sehr sichere Verschlüsselungstechniken für die Datenübertragung im Internet, sagt Shohini Ghose. Dennoch warnt sie, dass die große Rechenkapazität der Quantencomputer auch ethische Fragen aufwirft, die dringend diskutiert werden müssen.

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