Zurück in die Zukunft. In Dunkle MaterieIn der ab dem 8. Mai auf Apple TV+ ausgestrahlten Serie wird ein Wissenschaftler dank der Quantenphysik in Parallelleben gestürzt.
Um seine Funktionsweise zu verstehen, 20 Minuten fragte Xavier Vasques, Vizepräsident und CTO (technischer Direktor) von IBM Technology and R&D. An der Spitze eines Teams von dreihundert Forschern greift er insbesondere auf die in der Serie erwähnte Erfahrung von Schrödingers Katze zurück und offenbart sie uns wie Quantencomputing schon bald das Feld vieler Möglichkeiten eröffnen wird…
Wie erklärt man, was ein Quantencomputer ist?
Das klassische Rechnen verarbeitet Informationen mit Nullen und Einsen oder kleinen Transistoren, die öffnen und schließen und einen Strom fließen lassen oder nicht. Durch die Durchführung dieser Operationen führen wir Berechnungen durch. Die bleiben sehr einfach. Wir programmieren eine Anwendung. Wir stellen es zusammen. Es verwandelt sich in 0 und 1.
Im Quantengerüst werden Transistoren in Atome umgewandelt. Wir senden ein Signal und kontrollieren die Atome. Wenn wir den Zustand eines Atoms zum Zeitpunkt „t“ haben wollen, müssen wir uns eine Kugel vorstellen, mit Zustand 0 am Südpol und Zustand 1 am Nordpol und einem Pfeil, der in der Mitte und damit am Ende beginnt gibt den Zustand an, in dem sich das Atom befindet. Dieser Zustand kann, solange er nicht gemessen wird, eine gewisse Wahrscheinlichkeit haben, Zustand 1 zu sein, und eine gewisse Wahrscheinlichkeit, Zustand 0 zu sein. Wir befinden uns in einem Zustand der Überlagerung.
Das heißt?
Physiker sagen: „Fragen Sie mich nicht, wie es funktioniert, es ist die Natur, die so funktioniert!“ “. Für gewöhnliche Menschen, die an die Welt der unendlichen Weiten gewöhnt sind, ist es tatsächlich schwer zu verstehen. Dies ist die Geschichte von Schrödingers Katzenexperiment. Betrachten Sie ein Gedankenexperiment in der Quantenphysik, das von Erwin Schrödinger entworfen wurde, um die Seltsamkeit der Quantenüberlagerung zu veranschaulichen.
Stellen wir uns eine Katze in einer geschlossenen Kiste mit einem Gerät vor, das sie willkürlich töten kann. Nach den Prinzipien der Quantenmechanik gilt die Katze bis zum Öffnen der Schachtel sowohl als lebendig als auch als tot. Erst wenn die Schachtel geöffnet wird, wechselt der Zustand der Katze in den einen oder anderen und verdeutlicht so die Paradoxien der Quantenmechanik bei der Anwendung auf Alltagsgegenstände.
Wenn wir eine Berechnung oder ein Signal an ein Atom senden, beherrschen wir genau diese Möglichkeiten.
Gleichzeitig ist von Quantenverschränkung die Rede. Worum geht es ?
Im selben physikalischen System gibt es mehrere Atome. Wenn wir das Ergebnis eines Atoms kennen, wenn wir es anfordern, wissen wir auch das der anderen Atome, die voneinander abhängig sind. Sie sind alle miteinander verbunden.
Die Verschränkung ist daher wie ein Labyrinth: Ein klassischer Computer probiert die Pfade nacheinander aus, bis er den richtigen findet. Bei der Verschränkung können wir, selbst wenn wir den „einen“ Weg kennen und falsch liegen, sofort das richtige Ergebnis ermitteln (da die Atome, die zur Erkundung des Labyrinths geschickt werden, verschränkt sind). Daher extreme Geschwindigkeit.
Was ist das für eine Geschwindigkeit?
Ich gebe Ihnen ein Beispiel. Ein klassischer Computer benötigt 0,0025 Sekunden, um eine Multiplikation zu lösen: N x M = P. Da N und M sehr große Zahlen sind, sprechen wir von einer Größe von 2048 Bit! Ein Quantencomputer braucht 75 Sekunden!
Nehmen Sie aber die umgekehrte Operation: Sie kennen P, müssen aber N und M finden. In diesem Fall benötigt ein klassischer Computer 4,5 Milliarden CPU-Jahre (ein CPU-Jahr entspricht einer Million Operationen pro Sekunde). Das Ergebnis ist nicht einmal vorstellbar! Der Quantencomputer würde je nach Konfiguration 8 Stunden benötigen. Es ist für diese Art von Berechnung konzipiert, bei der eine exponentielle Leistung erforderlich ist.
Wofür wird ein Quantencomputer konkret eingesetzt?
Viele wissenschaftliche Herausforderungen werden heute aufgrund mangelnder Rechengeschwindigkeit nicht gelöst. Das betrifft insbesondere die Modellierung von Molekülen.
Um beispielsweise eine Tonne Dünger herzustellen, muss man eine Tonne fossiler Brennstoffe verbrennen. Dies entspricht zwischen 3 und 4 % der weltweiten CO2-Emissionen. Viele Wissenschaftler interessieren sich für dieses Thema, da einige Pflanzen ihre eigenen Düngemittel produzieren. Um ihre Geheimnisse herauszufinden, werden wir molekulare Modellierungen durchführen. Mit klassischen Computern können wir jedoch nur sehr einfache Moleküle modellieren, die ein bis drei Atome haben. Wir wissen daher nicht, wie wir das Modell von Kaffee mit vierundzwanzig Atomen modellieren können. Für diese Art der Berechnung eignet sich der Quantencomputer sehr gut. Dank ihm werden wir Projekte wie dieses freischalten. Oder andere rund um die Batterie der Zukunft, Materialien, die Flugzeuge leichter machen….
Das Unendlich Kleine im Dienste des Unendlich Großen, also…
Genau. Ein weiteres Beispiel: Wie findet man die ideale Route für eine Flotte von Schiffen, die Erdgas rund um den Planeten transportieren? Stellen Sie sich fünfhundert Boote vor, Häfen zum Beladen, andere zum Entladen. In der Mitte finden Sie Wege, die unter Berücksichtigung des Wetters, des Kraftstoffs und der Bereiche, die Sie passieren können oder nicht, berücksichtigt werden müssen. Für den Reeder ist es sehr kompliziert, den optimalen Weg zu finden! Quantum eignet sich hierfür hervorragend.
Beispielsweise arbeitet IBM bei dieser Art von Problemen mit ExxonMobil zusammen. Es befindet sich in der Bauphase. Die Algorithmen existieren bereits. Wir warten darauf, dass sich die Rechenleistung entwickelt.
Die Finanzwelt muss auf der Hut sein?
Ja, weil Quanten zu höherer Präzision und schnelleren Berechnungen beitragen. Das Ersetzen klassischer Finanzmodelle durch Quantenmodelle wird die Entwicklung nachhaltiger Finanzprodukte erleichtern, die nicht mehr auf begrenzten Parametern mit großer Unsicherheit basieren. Angesichts der Quanten, Händler wird die Risiken offen begrenzen. Dahinter steckt ein wesentlich kontrollierteres Wachstum.
Was ist die Frist für all diese Versprechen?
Es gibt Universen, in denen dies schneller geht als in anderen, wie zum Beispiel in der Chemie. Dann werden die Welten der Optimierung, Krypto, maschinelles Lernen um beispielsweise Betrug aufzudecken. Dies wird sich in den kommenden Jahren verwässern, obwohl wir vorsichtig bleiben müssen.
Bei IBM haben wir eine Straßenkarte seit 2016. Im Moment folgen wir ihr. Wir wissen, dass wir zwischen 2029 und 2030 einen Computer haben werden, der fehlerfrei rechnen kann. Ab 2033 werden wir in der Lage sein, sehr große Massenberechnungen durchzuführen.
Wie sieht ein Quantencomputer aus?
IBM hat weltweit bereits 60 Systeme dieser Art im Einsatz, in Frankreich jedoch noch nicht. Ein Quantencomputer passt in einen Raum, enthält Atome, eingetaucht in einen Tank mit flüssigem Helium nahe dem absoluten Nullpunkt, verbunden durch Kabel. Diese Umgebung darf möglichst wenig gestört werden. Es ist kein großer Rechenzentrum wie ein Fußballfeld.
