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Quantum-Computing nimmt Fahrt auf

Quantenrechner erschließen neue Leistungsdimensionen. Sie sind zwar noch sehr teuer, aber bereits heute für einige spezielle Einsatzszenarien sehr geeignet.

Quantenrechner läuten eine neue Ära im Computing ein. Mit ihrer enormen Rechenleistung sind einige von ihnen in der Lage, hochkomplexe Rechenoperationen in Rekordzeit zu erledigen.

Eines steht fest: Quantum-Computing ist mittlerweile mehr als nur ein vorübergehender Hype. Die Entwicklung dieser neuen Generation von Supercomputern wird weltweit vorangetrieben. Das amerikanische Marktforschungsinstitut Homeland Security Research prognostiziert für das Jahr 2024 einen weltweiten Umsatz von rund elf Milliarden Dollar im Bereich Quantencomputer und dazugehörigen Services. In ihrer Funktionsweise unterscheiden sich diese Quantensysteme grundlegend von herkömmlichen Rechnerarchitekturen.

Herausforderung Quantenbits

Die sogenannten „Qubits“ der Quantenrechner haben wie die Bits normaler Rechner zwei Zustände, 0 und 1. Diese können sich jedoch überlagern. Der Wert dieser Überlagerung (Superposition) liegt somit „irgendwo“ zwischen einer 0 und einer 1, wodurch ein Quantenbit wesentlich mehr Informationen ausdrücken kann.

Wird die Position eines Qubits jedoch gemessen, verfälscht dies das Messergebnis. Mittlerweile haben Forscher Verfahren entwickelt, mit denen sie kontrolliert Qubits einzeln erzeugen und erfassen. Eine Option besteht darin, Atome, Elektronen oder Photonen mit Laserstrahlen zu „beschießen“, eine andere setzt für diesen Zweck Mikrowellen ein.

Erst die Verschränkung (Entanglement) von Quantenbits in einem Register ermöglicht die Quanten-Rechenoperationen. Ändert sich der Zustand eines Qubits, tritt unmittelbar auch bei allen anderen Qubits eine Zustandsänderung auf, die mit diesem verschränkt sind.

Diese simultane Verschränkung greift selbst bei kilometerweit entfernten Qubits. Die Änderungen, die bei Quantenbits auftreten, lassen sich messen, in Werte von 1 und 0 übersetzen und für Berechnungen nutzen.

Hochleistung bei komplexen Berechnungen

Der enorme Geschwindigkeitsgewinn bei Quantenrechnern ergibt sich nur dann, wenn eine Aufgabe eine hinreichend große Zahl von Kombinationsmöglichkeiten enthält.

Quantenrechner kommen mit hochkomplexen Berechnungen erheblich besser zurecht als klassische Systeme. Das gilt etwa bei Aufgabenstellungen in Wissenschaft und Wirtschaft, wie der Simulation von Verkehrsströmen in Großstädten.

In diesem Fall muss man die Bewegungen von Tausenden oder gar Millionen von Fahrzeugen berücksichtigen – und zwar in Echtzeit. Quantenrechner eignen sich auch besonders gut für Simulationen, mit denen Banken komplexe Geschäftstransaktionen verfolgen und ihren aktuellen Finanzstatus ermitteln.

Stolpersteine auf dem Weg zum Quantum-Computing

Die Simulationsbeispiele lassen das große Potenzial dieser Technologie erahnen, wobei Quantenrechner mit beachtenswerten Besonderheiten aufweisen. Eine ist das „No-Cloning-Theorem“. Es besagt, dass sich Qubits nicht duplizieren lassen, ohne die gespeicherten Informationen zu verändern. Verfahren für die Fehlerkorrektur, die bei „normalen“ Rechnern greifen, können somit nicht auf Quantensysteme übertragen werden. So ist es nicht möglich, Daten mehrfach zu speichern und miteinander zu vergleichen.

Eine weitere Eigenschaft, bei der herkömmliche Rechnerarchitekturen besser abschneiden, ist die Resistenz gegenüber Hardwarefehlern, die etwa bei einem Windows-PC zum Blue Screen of Death führen können.

Die Wahrscheinlichkeit, dass die Schuld bei einer defekten Hardwarekomponente liegt, beträgt etwa 10-24 – ein verschwindend geringer Wert. Bei heute verfügbaren Quantenrechnern beläuft sich die Wahrscheinlichkeit hingegen 10-4 und ist damit um den Faktor 20 höher. Dies lässt sich auf den komplexen Aufbau und die hohe Empfindlichkeit von Quantenrechnern zurückführen.

Darüber hinaus sind Quantenrechner bislang für eine breite Nutzung schlicht zu teuer. Die aufwendige Technik, die bei solchen Systemen zum Einsatz kommt, treibt den Preis der günstigsten Systeme derzeit in den zweistelligen Millionen-Dollar-Bereich.

Serienreife in fünf bis zehn Jahren

Neben Forschungseinrichtungen arbeiten heute bereits etliche Unternehmen an Quantencomputern. In Nordamerika sind beispielsweise IBM, D-Wave Systems, Google, Intel und Microsoft auf diesem Gebiet aktiv. Zu denken gibt, dass sich kaum Unternehmen aus Europa unter den Anbietern befinden. Zu den wenigen Ausnahmen zählen ID Quantique und Atos. Die Atos Quantum Learning Machine ist ein Quantensimulator, der bis zu 40 Qubits emuliert.

Philippe Duluc, Atos

„Quantencomputer machen herkömmliche Verschlüsselungsverfahren aufgrund ihrer enormen Rechengeschwindigkeit obsolet.“

Philippe Duluc, Atos

Wann Quantencomputer in großem Maßstab verfügbar sein werden, ist in der Fachwelt umstritten. Die Mehrzahl der Experten geht von einem Zeitraum von fünf bis etwa zehn Jahren aus; einige erwarten größere Stückzahlen erst in 15 Jahren.

Wer sich jedoch schnell den Zugang zu Quantenrechnern verschafft, sichert sich womöglich einen Wettbewerbsvorteil. Noch ein anderer Grund sollte Forschungseinrichtungen wie Unternehmen dazu bewegen, sich mit der Technologie zu beschäftigen: Quantencomputer machen herkömmliche Verschlüsselungsverfahren aufgrund ihrer enormen Rechengeschwindigkeit obsolet. Bevor Cyberkriminelle die Technologie für Attacken nutzen, gilt es, an Abwehrmechanismen zu arbeiten. Mit Quantenrechnern.

Über den Autor:
Philippe Duluc ist CTO Big Data und Security bei Atos.

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Artikel wurde zuletzt im Januar 2018 aktualisiert

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