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Nr 9 2024 www markttechnik de 19 Dieser bereits 1994 von Peter Shor veröffentlichte Algorithmus damals Mitarbeiter der AT T Bell Laboratories ist der mathematischen Zahlentheorie zuzuordnen Er berechnet einen nichttrivialen Teiler einer zusammengesetzten Zahl und zählt somit zur Klasse der Faktorisierungsverfahren Praktisch ist der Shor-Algorithmus noch nicht anwendbar da Stand 2020 neuere Informationen sind öffentlich nicht verfügbar keine hinreichend großen und fehlerarmen Quantencomputer zur Verfügung stehen Eine Forschungsgruppe von IBM hatte vor mehr als 20 Jahren einen Quantenprozessor mit sieben Qubits eingesetzt um die Zahl 15 mithilfe des Shor-Algorithmus in die Faktoren 5 und 3 zu zerlegen ha Der Shor-Algorithmus Bei der sprichwörtlichen Suche nach der Stecknadel im Heuhaufen kann der Algorithmus von Lov Grover helfen Er unterstützt die Suche nach einem bestimmten Wert in einer unsortierten Datenbank Veröffentlicht wurde der Algorithmus 1996 – und er kann für sich in Anspruch nehmen bisher der einzige Algorithmus zu sein bei dem bewiesen ist dass Quantenprozessoren prinzipiell schneller sind als traditionelle Computer Dabei ist der Grover-Algorithmus ein sogenannter probabilistischer Algorithmus Das heißt Er liefert mit einer hohen Wahrscheinlichkeit richtige Ergebnisse – und zudem kann die Wahrscheinlichkeit einer fehlerhaften Antwort durch wiederholte Ausführung des Algorithmus verringert werden Für Profis Mit dem Shor-Algorithmus ist ein polynomiell schneller probabilistischer Faktorisierungsalgorithmus für Quantencomputer bekannt während kein bekannter klassischer Faktorisierungsalgorithmus polynomielle Laufzeit besitzt Allerdings gibt es bisher keinen mathematischen Beweis dass nicht doch ein solcher Algorithmus existiert ha Grover-Algorithmus Bevor Missverständnisse entstehen Unter Computing im klassischen Sinne versteht man eine Informationsverarbeitung die auf einer logischen Abfolge von Entscheidungen beruht welche nach einem fest definierten Algorithmus ausgeführt werden Ein klassischer Computer verarbeitet die Daten durch die Steuerung von logischen Schaltelementen Gatter Multiplexer etc und speichernden Elementen Flip-Flops Register die mit Transistoren aufgebaut sind Diese funktionieren abstrakt gesehen wie Schalter sie kennen nur »0« oder »1« Der Computer ist ein riesiges Netzwerk von Schaltern die auf einen Input reagieren und als logisches Ergebnis wieder »0« oder »1« ausgeben So entsteht der klassische Rechenvorgang Quantencomputing – der wesentliche Unterschied Traditionelle Computer arbeiten lediglich mit den Zuständen »0« oder »1« Die Kombinationen aus diesen Zuständen erfolgen additiv Ein Quantenprozessor hingegen rechnet auch mit sämtlichen Zwischenzuständen erzeugt durch Superpositionen im Qubit Gemäß der Quantentheorie kann die Kombination aus all diesen Zuständen nicht nur additiv erfolgen sondern auch multiplikativ Das ist der Grund dafür dass mit Quantencomputing wesentlich komplexere Strukturen erzeugt werden können Das Problem dabei Es gibt bislang keine etablierte Software für das Quantencomputing Die Fähigkeit eines Quantenprozessors gleichzeitig mit einer unglaublich großen Anzahl an unterschiedlichen Zuständen zu rechnen ist zunächst schwer nutzbar Einfach nur alle Zustände des Quantencomputers auszulesen hilft da wenig Gesucht sind Quanten-Algorithmen die dafür sorgen dass mit möglichst großer Wahrscheinlichkeit nur der richtige Zustand übrig bleibt Die beiden bisher bekannten Quanten-Algorithmen Shor Grover sind in separaten Kästen erklärt Quantencomputing in der Realität Eine Berechnung im Quantencomputer im Zusammenspiel klassischer Rechner mit einem Quantenprozessor beginnt damit dass die notwendigen Daten mithilfe eines klassischen Computers erhoben und aufbereitet werden um sie anschließend dem Quantenprozessor bereitzustellen Gemäß einem bestimmten Algorithmus werden die Daten im Quantenprozessor verändert Dazu sind vorgegebene und in ihrer Reihenfolge festgelegte Eingriffe von außen erforderlich die beispielsweise durch genau bestimmte Laserstrahlen erfolgen Gesteuert wird der Laser wiederum durch klassische Computer Am Ende des Rechenvorgangs im Quantenprozessor bestimmt der klassische Computer aus der Fülle der Quantenmöglichkeiten das Ergebnis meist durch Berücksichtigung der Häufigkeit und Wahrscheinlichkeit Anschließend wird das Ergebnis dann mit klassischen Methoden weiter aufbereitet oder verarbeitet Die Ergebnisqualität all dieser Schritte hängt von der Hardware des Quantenprozessors ab also von dem quantischen Versuchsaufbau welcher mit der Polarisation von Photonen den Interferenzen von Molekülen oder den Energieniveaus von Ionen oder Ähnlichem arbeitet Quantencomputer sind mit ihrer Leistung und parallelen Berechnungsweise in der Lage riesige Datenmengen besonders schnell und effizient zu bearbeiten Deshalb werden in folgenden Bereichen große Verbesserungen durch den Einsatz der Technologie erwartet • Optimieren von Logistikund Transportprozessen in Echtzeit • Entwicklung von Medikamenten und Impfstoffen durch Nachbildung von Molekülen • Simulation und Entwicklung neuer Materialien mit spezifischen Eigenschaften und verlässlichen Vorhersagen • Wettervorhersage unter Einbeziehen unterschiedlichster Faktoren • Auswerten riesiger Datenmengen mittels künstlicher Intelligenz Damit bietet Quantencomputing ein enormes Potenzial das heutige Supercomputer nicht erreichen ha ■