Quanteninformatik ist eine völlig neue Art der Computertechnologie, die die Art und Weise, wie Informationen verarbeitet werden, grundlegend verändert. Da Quantencomputer nach anderen physikalischen Prinzipien als klassische Rechner funktionieren, eröffnen sie neue Möglichkeiten zur Lösung besonders komplexer Probleme. Sie können Aufgaben wesentlich schneller erledigen als herkömmliche Computer und sind in der Lage, Herausforderungen zu bewältigen, an denen selbst leistungsstarke Supercomputer an ihre Grenzen stoßen.
Dass die Quanteninformatik nicht mehr nur Zukunftsmusik ist, zeigt das Oxford Quantum Circuits (OQC). Das Unternehmen ist im letzten Jahr eine strategische Partnerschaft mit Aveva eingegangen, um praxisnahe Anwendungen für den Industriebereich zu entwickeln. Ihr Ziel ist es, durch Quantencomputing die Effizienz von Prozessen zu steigern und die Kosten zu senken. Das ist besonders relevant, da klassische Computer immer mehr Rechenleistung und Energie benötigen, um anspruchsvolle Aufgaben zu bewältigen. Durch ihre besondere Architektur könnten Quantencomputer dazu beitragen, den Energieverbrauch großer Berechnungen erheblich zu reduzieren.
Wie unterscheidet sich die Quanteninformatik?
Der entscheidende Unterschied zwischen klassischen und Quantencomputern liegt in der Art, wie sie Informationen speichern und verarbeiten. Klassische Computer nutzen Bits, die entweder den Wert 0 oder 1 annehmen. Um komplexe Berechnungen durchzuführen, benötigen sie eine enorme Anzahl an Transistoren, die viel Energie verbrauchen. Zudem steigt die Leistung nicht einfach proportional mit der Anzahl der Transistoren – irgendwann sind physikalische Grenzen erreicht.
Quantencomputer hingegen arbeiten mit sogenannten Qubits, die nicht nur den Zustand 0 oder 1 annehmen können, sondern sich in einer Art Mischzustand aus beiden befinden – dieses Prinzip nennt man Superposition. Dadurch kann ein Quantencomputer in einem einzigen Rechenschritt viele verschiedene Möglichkeiten gleichzeitig durchspielen, anstatt sie wie ein klassischer Computer nacheinander abzuarbeiten. Diese Fähigkeit eröffnet neue Wege für Berechnungen, die für herkömmliche Computer kaum zu bewältigen sind. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Quantenverschränkung: Dabei sind mehrere Qubits so miteinander verbunden, dass eine Änderung in einem Qubit sofort Auswirkungen auf die anderen hat. Das macht Quantencomputer in bestimmten Bereichen besonders leistungsfähig.
Die Kombination aus Quantenhard- und -software mit klassischer Rechentechnik hat das Potenzial, ganze Branchen zu verändern. Quantencomputer sind nicht als Ersatz für herkömmliche Systeme gedacht, sondern sollen sie ergänzen. Sie können Berechnungen beschleunigen, die mit klassischen Algorithmen und Hardware nicht effizient durchführbar wären. Das gilt insbesondere für komplexe Simulationen, etwa in der Chemie, für hochsichere Verschlüsselungstechniken oder für Optimierungsprobleme in der Industrie. In Fertigung und Maschinenbau könnten sie beispielsweise Lieferketten optimieren oder Produktionsprozesse effizienter gestalten.
Optimierungsabhängige Systeme
Eine der vielversprechendsten Anwendungen ist die Quantenoptimierung. In vielen technischen und wirtschaftlichen Bereichen sind Systeme auf kontinuierliche Verbesserungen angewiesen, um Kosten zu senken und die Effizienz zu steigern. Ein klassisches Beispiel ist die Berechnung optimaler Parameter in einem komplexen System. Klassische Computer müssen dabei Schritt für Schritt vorgehen und oft Millionen von Rechenoperationen durchführen, um eine Lösung zu finden. Je größer das Problem, desto länger dauert dieser Prozess und desto mehr Rechenleistung wird benötigt.
Quantencomputer könnten diese Optimierung durch eine neuartige Art der Informationsverarbeitung erheblich beschleunigen. Sie ermöglichen es, bestimmte Berechnungsschritte effizienter zu gestalten und damit die Gesamtzeit für komplexe Optimierungsprobleme drastisch zu verkürzen. In der Praxis bedeutet das, dass klassische Computer weiterhin die meisten Aufgaben übernehmen, während Quantencomputer gezielt für rechenintensive Teilschritte eingesetzt werden. Diese hybride Nutzung von klassischem und Quantencomputing ähnelt dem Zusammenspiel von CPUs und GPUs in modernen Hochleistungsrechnern.
Die Frage ist längst nicht mehr, ob Quantencomputer in bestehende IT- und Industrieinfrastrukturen integriert werden können, sondern vielmehr, wie Unternehmen diesen Übergang strategisch gestalten. Firmen, die heute bereits auf Hochleistungsrechner angewiesen sind, müssen sich mit Quantencomputing beschäftigen, um ihre Wettbewerbsfähigkeit zu sichern. Durch die gezielte Einbindung von Quantenprozessoren in bestehende Systeme können Unternehmen ihre Rechenkapazitäten erweitern und Aufgaben bewältigen, die mit klassischen Methoden nicht lösbar wären.
Schon heute gibt es konkrete Anwendungsfälle, in denen Quantenprozessoren als Beschleuniger in bestehenden IT-Architekturen eingesetzt werden. Ähnlich wie GPUs bestimmte Berechnungen in grafikintensiven Anwendungen übernehmen, könnten Quantenprozessoren Aufgaben auslagern, die für klassische Systeme besonders aufwendig sind – etwa bei hochkomplexen Simulationen oder Optimierungsproblemen. Diese Aufgabenteilung sorgt für eine bessere Nutzung der vorhandenen Rechenressourcen und steigert die Leistungsfähigkeit der gesamten Infrastruktur.
Quantencomputing steht also nicht in Konkurrenz zu klassischen Computern, sondern ergänzt sie dort, wo herkömmliche Technik an ihre Grenzen stößt. Unternehmen, die sich frühzeitig mit dieser Technologie auseinandersetzen, könnten in Zukunft von erheblichen Effizienzsteigerungen profitieren.
Kleine Schritte zum Quantensprung
Damit die Quantentechnologie ihre vielversprechenden Vorteile für die Industrie voll ausschöpfen kann, müssen Hersteller von Quantencomputern fehlertolerante Systeme entwickeln. Das bedeutet, sie müssen Fehlerkorrekturtechniken einsetzen, um Quantencomputer gegen die Fehler abzusichern, für die sie besonders anfällig sind.
