Chemiker sind die ersten, die die Vorteile von Quantencomputern schätzen

Quantencomputer von D-Wave

So große Unternehmen wie Microsoft, Google und IBM arbeiten derzeit an der Entwicklung von Quantencomputersystemen. Spezialisten des letzteren gelang es, einen 5-Qubit-Quantencomputer zu entwickeln. Jetzt bietet IBM Zugriff darauf als Service namens IBM Quantum Experience . Zwar können nicht alle Entwickler mit diesem Computer arbeiten, aber Programme dafür sind bereits veröffentlicht und öffentlich zugänglich. Es wird angenommen, dass Quantencomputersysteme die meisten herkömmlichen Verschlüsselungsalgorithmen (RSA, DSA, ECDSA) unbrauchbar machen, da Quantencomputer, die den Shore-Algorithmus verwenden, selbst die komplexeste Verschlüsselung in Sekundenbruchteilen erfassen können.

Die Entwickler von Quantencomputern versprechen aufgrund des Wachstums der Computerleistung in vielen wissenschaftlichen Bereichen einen echten Durchbruch. Kernphysik, Mathematik, Medizin, Kryptographie und Chemie sind nur eine kleine Liste von Branchen, in denen solche Systeme nützlich sein können. In Bezug auf die Chemie ist es wahrscheinlich, dass die ersten Quantencomputer in diesem Bereich ihre Arbeit aufnehmen werden.

Sie werden Wissenschaftlern helfen, neue chemische Verbindungen zu entwickeln, zu verstehen, welche Eigenschaften ein Hochtemperatursupraleiter haben sollte, und neue wirksame Medikamente zu entwickeln. Selbst ein kleines Quantensystem kann Chemikern helfen, verschiedene chemische Verbindungen und die Reaktionen zwischen ihnen zu untersuchen. Moderne Chemiker verwenden heute leistungsstarke Computer, um verschiedene komplexe chemische Reaktionen zu simulieren. Und Quantencomputersysteme werden Wissenschaftlern viel effektivere Werkzeuge für die Arbeit auf diesem Gebiet bieten.

Scott Crowder, ein IBM-Sprecher, ist zuversichtlich, dass Chemiker zu den ersten, wenn nicht sogar zu den ersten gehören werden, die die Vorteile von Quantencomputern gegenüber herkömmlichen Systemen schätzen. Auch kleine Quantencomputer sind hier nützlich: „Wir glauben, dass kleine Systeme in der Chemie eingesetzt werden“, sagt Crowder.

Wie oben erwähnt, verwenden Wissenschaftler seit langem die Emulation chemischer Reaktionen und einzelner Verbindungen, um neue Materialien und Medikamente zu entwickeln und beispiellose chemische Verbindungen herzustellen. Das von Wissenschaftlern verwendete Computermodell kann die Kosten des Experiments und den Zeitaufwand für die Forschung senken. In einem Bereich wie der Herstellung von Antibiotika benötigen Spezialisten beispielsweise Jahre, um wirksame Medikamente zu entwickeln und auf den Markt zu bringen.

Leider sind die Fähigkeiten moderner, sogar sehr produktiver Systeme begrenzt. Tatsache ist, dass herkömmliche Computer einige Bedingungen der Quantenmechanik nicht simulieren können, wenn beispielsweise ein Elektron gleichzeitig an zwei Stellen vorhanden ist. Gewöhnliche Computer sind für binäre Technologien ausgelegt, bei denen das Öffnen oder Schließen eines Halbleitergatters eins oder null bedeutet. Quantensysteme verwenden solche Konzepte der Quantenmechanik als Überlagerung und Verschränkung.

Alan Aspuru- Guzik, Professor für Chemie an der Harvard University, glaubt, dass nur mit solchen Systemen ein wirklicher Durchbruch auf dem Gebiet der Herstellung von Lumineszenzmolekülen für Displays oder wiederaufladbare Batterien eines neuen Typs erzielt werden kann. Jetzt suchen der Wissenschaftler und die Mitglieder seines Teams nach den erforderlichen Molekülen und Substanzen, müssen jedoch "manuell" arbeiten, indem sie die Versuchs- und Fehlermethode anwenden und die erforderlichen Verbindungen und Materialien auswählen. Ein Quantencomputer könnte die Effizienz solcher Arbeiten erheblich steigern.



Die Entstehung solcher Systeme in unserem Leben ist eine Frage der nahen Zukunft. Wie oben erwähnt, hat IBM einen 5-Qubit-Quantencomputer entwickelt. Google hat ein solches System von D-Wave gekauft und die Entwicklung selbstständig fortgesetzt. Unternehmensspezialisten untersuchten mehrere Jahre lang die Quantenglühmethode und die Möglichkeit ihrer Anwendung.

Microsoft hat auch in diesem Bereich einige Erfolge erzielt, der relativ einfache Quantencomputer unterstützt. Darüber hinaus entwickeln die Spezialisten des Unternehmens ein Hybridsystem mit traditionellen Berechnungsmethoden und Quantenfüllung, mit dem der Durchgang chemischer Reaktionen simuliert werden kann. Laut Microsoft möchten die Spezialisten des Unternehmens nach Hochtemperatursupraleitern suchen.

Wenn es Wissenschaftlern wirklich gelingt, einen funktionierenden Quantencomputer zu schaffen, wird er sicherlich sehr gefragt sein. Schließlich kann nur ein System dieser Art die Welt buchstäblich verändern. Quantencomputer können also das sogenannte „Problem der reisenden Verkäufer“ sehr effektiv lösen, das darin besteht, die rentabelste Route zu finden, die mindestens einmal durch diese Städte führt, und anschließend in die ursprüngliche Stadt zurückzukehren. Eine neue Klasse von Computersystemen optimiert Geschäftsprozesse, identifiziert Faktoren, die das Klima in einer bestimmten Region beeinflussen, oder führt viele andere Aufgaben aus, einschließlich Bereiche wie maschinelles Lernen.

Laut Chris Monroe , Professor an der University of Maryland und Mitbegründer des IOnQ-Quanten-Startups, befindet sich das Quanten-Computing derzeit in ungefähr demselben Entwicklungsstadium wie die ersten Transistoren ihrer Zeit. Und dieser Bereich entwickelt sich allmählich. Zum Beispiel begann D-Wave Systems im Januar dieses Jahres mit dem Verkauf seines 2000-Qubit-Computers D-Wave 2000Q. Das erste Modell wurde für 15 Millionen US-Dollar verkauft. Vielleicht werden Wissenschaftler auf der ganzen Welt in naher Zukunft die Vorteile von Quantensystemen voll ausschöpfen können.

In der Zwischenzeit investieren IBM, Microsoft, Google und andere Unternehmen weiterhin in Quantencomputer, in der Hoffnung, das Ergebnis zu erzielen.