Quantencomputer machen künftig den Unterschied

Derzeit teilen sich die Quantencomputer in zwei Klassen: die Quantum-Annealing-Machines mit Schwerpunkt auf Optimierungsprobleme und die Quantengatter-Computer für beliebige andere Berechnungen. Inzwischen gibt es für uns Informatiker eine ganze Reihe von Angeboten, die uns die Nutzung eines Quantencomputers erleichtern, ohne selbst einen zu besitzen.

Coden für Quantenrechner

Wer sich mit dem Thema beschäftigen möchte, sollte der Quantenphysik ein wenig nähertreten und die mathematische Darstellung verstehen. Mathematisch stellt man Qubits als Vektoren dar. Mit den Vektoren haben wir ein bekanntes Werkzeug, welches wir aus der Schule kennen. Die Vektoren werden in Matrizen dargestellt, denn eine Matrix ist eine lineare Transforma­tion von Vektoren. Weil wir es mit Qubits zu tun haben, müssen wir zur Beschreibung von Quantengattern die Gesetze der Quantenphysik beachten. Aufgrund der Unitarität müssen alle Quantengatter umkehrbar sein. Das heißt, die Matrizen haben immer genau so viele Spalten wie Zeilen.

Häufig benutzte Quantengatter sind das NOT-Gate, das Hadamard-Gatter und das CNOT-Gatter. Mit diesen Gattern werden die Quantencomputer ganz regulär codiert. Es gibt jedoch von IBM einen Composer, der es erlaubt, Quantenschaltkreise grafisch per Mausklick zusammenzubauen. Hierfür hat IBM extra die Quantum Assembly Language OpenQASM geschaffen.

Quantensimulator zum Testen

Andere Hersteller setzen auf klassische Programmiersprachen, hauptsächlich Python, um in Verbindung mit Interfaces und APIs Programme für Quantencomputer zu erstellen. Für Einsteiger bietet Rigetti Computing zudem ein SDK zum Download an, welches einen lokalen Quantensimulator für acht bis sechzehn Qubits zur Verfügung stellt. Damit kann man sehr gut experimentieren, denn ein normales Notebook ist dafür ausreichend leistungsstark.

Man merkt schnell, dass die Programmierung von Quantencomputern nicht unbedingt schwieriger, sondern anders und eben nicht intuitiv ist. In der Lernphase wird man aus Kostengründen immer mit Quantengatter-Computern mit maximal 16 Qubits hantieren. Diesen Quantencomputertyp benötigt man auch, um Verschlüsselungsalgorithmen zu dechiffrieren. Von unseren aktuell gängigen Verschlüsselungsverfahren sind manche anfällig für Quantencomputer, andere jedoch nicht. Die gute Nachricht für die Informationssicherheit ist, dass es eine mindestens vierstellige Anzahl an Qubits braucht, um schnell Berechnungsergebnisse zu liefern. Es wird noch eine Weile dauern, bis die Wissenschaft und später die Industrie dieses Niveau bei den Quantenrechnern erreicht haben werden.

Schnellere Erfolge sind bei den Quantum-Annealing-Machines zu erwarten. Die Optimierungsaufgaben in Wissenschaft, Industrie und Logistik sind zahlreich und schon heute mit klassischen Computern nur mit hohem finanziellen Aufwand zu lösen. Dabei wird die klassische Technik nicht verdrängt, man wird den Quantencomputer direkt nur zur Berechnung einsetzen.