Die Antworten auf alle Fragen sind eigentlich ganz einfach:

Keine Hardwarekomponenten, die man für herkömmliche Computer verwendet, kann man für Quantencomputer verwenden. Quantencomputer benötigen vollkommen andere Technologien. Die beiden Technologien zu vergleichen wäre in etwa so, als wenn wir Segelschiffe und Flugzeuge vergleichen würden (das meine ich übrigens wertfrei). Zwar werden z.B. für supraleitende QC die QPUs auch auf eine Platine gedruckt aber da enden die Gemeinsamkeiten auch schon. Andere QC-Architekturen sind noch fremder.

Die externe Steuerung von QC und der Fernzugriff von QC erfolgen allerdings über herkömmliche Computer.

Einen umfangreichen Überblick zur Hardware von Quantencomputern habe ich auf meiner Webseite zusammengetragen:

http://www.quantencomputer-info.de/quantencomputer/welche-quantencomputer-gibt-es-jetzt-schon/

Das Problem dabei ist: Quantencomputer basieren auf der Quantenmechanik und genauso wenig wir die Quantenmechanik lassen sich QC "intuitiv einfach" erklären. Selbst solche Erklärungen wie "Quantenparallelismus" und "Leistungsverdoppelungen mit jedem zusätzlichen Qubit" werden der Sache nicht gerecht.

In meinem, allerdings ziemlich umfangreichen, Artikel "Quantencomputer einfach erklärt" versuche ich an einem Beispiel zumindest zu erklären wie anders ein Quantencomputer rechnet:

Problem: "Suche aus einem Kartendeck eine bestimmte Karte heraus"

1. Ein Klassischer Computer / Mensch muss hierfür in Einzelschritten eine Try-And-Error Suche durchführen
2. Ein Quantencomputer schaut sich alle Karten gleichzeitig an und blendet alle falschen Karten in Einzelschritten immer weiter aus. Am Ende bleibt nur die richtige Karte übrig. Dafür benötigt er wesentlich weniger Einzelschritte als die klassische Try-And-Error-Suche.

Solche sicheren Verschlüsselungen laufen unter dem Stichwort "Post-Quanten-Verschlüsselung".

Kurz:

Asymmetrische Verschlüsselungen sind anfällig für QC wegen dem Shor-Algorithmus, der eine exponentielle Beschleunigung besitzt.

Symmetrische Verschlüsselungen sind sicherer, weil hierfür der Grover-Algorithmus verwendet werden muss, der "nur" eine quadratische Beschleunigung besitzt.

Das National Institute of Standards and Technology / NIST evaluiert hierzu aktuell neue Standardprotokolle.

Nicht ganz Unvoreingenommen:

Die Quantencomputer-Technologie hat definitiv Zukunft. Schon alleine aus dem Grund, dass Molekülsimulationen auf klassischen Computern nicht skalieren und auf Quantencomputern schon. Für die Materialforschung und für die chemische Forschung werden Quantencomputer deshalb einen immer größeren Mehrwert liefern.

Es ist durchaus möglich, dass sich dieser Mehrwert schon mit aktuellen NISQ-Quantencomputern einstellen wird. Durch zukünftige fehlerkorrigierende Quantencomputer erweitert sich die Palette an nützlichen Quantenalgorithmen beträchtlich.

Ähnlich optimistisch ist die Branche in Bezug auf Künstliche Intelligenz. Danach folgen Finanzalgorithmen und Optimierungsprobleme. Anfänglich wird der Mehrwert eher an unterstützenden Unterroutinen liegen. Wie weit sich dies weiterentwickeln wird hängt sehr davon ab, wann bzw. ob die Hersteller in der Lage sein werden skalierbare, fehlerkorrigierende Quantencomputer zu bauen. Die entsprechenden Roadmaps gehen davon aus, dass dies noch in diesem Jahrzehnt der Fall sein wird. Vieles ist dabei aber noch ungewiss. Auf der anderen Seite, könnte es durchaus sein, dass weitere Player auf der Spielwiese erscheinen, die den Markt mit ganz neuen Ansätzen aufmischen. Auch dafür gibt es Hinweise.

Ausführliche Hintergrundinformationen zum Thema trage ich auf meiner Webseite quantencomputer-info.de zusammen. Z.b.

Welche Quantencomputer gibt es jetzt schon?

Anwendungen für Quantencomputer

In der Quantenwelt können verschiedene Konfigurationen gleichzeitig in einer überlagerten Zustandsform existieren („Welle-Teilchen-Dualismus“). Diese Zustände werden deshalb **aus klassischer** Sicht exponentiell komplex. Ein Quantencomputer macht sich dies zu Nutze, in dem er als Konfigurationen „einfache“ Bit-Sequenzen verwendet. Die Logik-Operationen eines Quantencomputers (Quanten-Gatter) wirken dabei gleichzeitig auf alle überlagerten Bit-Sequenzen (Quantenparallelismus). Das bedeutet zunächst, dass eine riesige Menge von Input-Werten durch ein Quantenprogramm gleichzeitig bearbeitet werden kann.

Da die Quanten-Gatter so andersartig sind und da am Ende trotzdem ein einzelnes Endergebnis ausgelesen werden muss (also eine **einzelne** Bit-Sequenz), leitet sich daraus aber noch nicht zwangsläufig auch ein Quantenvorteil ab.

In folgenden Anwendungsgebieten können wir aktuell tatsächlich von einem Vorteil ausgehen:

- Atomare bzw. molekulare Simulationen

- Maschinenlernen

- Optimierungsprobleme

- Finanzalgorithmen

- Lineare Algebra

Die heute bereits verfügbaren Quantencomputer sind für die jeweiligen Algorithmen allerdings noch zu limitiert. Einen detaillierten Überblick über diese Systeme und die Pläne der Hersteller bekommst Du auf meiner Webseite zum Thema Quantencomputer

http://www.quantencomputer-info.de/quantencomputer/welche-quantencomputer-gibt-es-jetzt-schon/

Ob auch mit diesen „NISQ-Quantencomputern“ ein Quantenvorteil erzielt werden kann, ist Gegenstand der aktuellen Forschung. Wann es die skalierbaren, fehlerkorrigierenden Quantencomputer geben wird ist noch unklar. Die Hersteller hoffen, dass die ersten kleineren Systeme am Ende des Jahrzehnts verfügbar sein werden.

Zumindest in den nächsten **Jahrzehnten** werden sich Quantencomputer und klassische Computer hauptsächlich ergänzen. Quantencomputer werden zuerst voraussichtlich für folgende Anwendungen einen **Mehrwert** liefern (vermutlich auch in der Reihenfolge):

1. Atomare bzw. molekulare Simulationen

2. Maschinenlernen

3. Finanzalgorithmen

4. Optimierungsprobleme

Ob es darüber hinaus Anwendungen geben wird ist unklar.

Quantencomputer stecken aktuell noch in den Kinderschuhen. Aufgrund der gewaltigen technologischen Herausforderungen ist es unsicher wie weit es die Quantencomputer dabei bringen werden. Noch ungewisser ist der Zeitrahmen dafür. Einen sehr genauen Überblick über den aktuellen Stand der Quantencomputer und die Pläne der einzelnen kommerziellen Hersteller geben ich in meinem „freien Online-Buch“ über Quantencomputer:

http://www.quantencomputer-info.de/quantencomputer/welche-quantencomputer-gibt-es-jetzt-schon/

Die Hersteller IBM und IonQ gehen in ihren Roadmaps z.B. davon aus, dass ab etwa 2023 Quantencomputer produktiv für industrierelevante Anwendungen eingesetzt werden. Wann damit aber auch ein eindeutiger „Quantenvorteil“ erzielt werden kann ist eine ganz andere Sache: Einigermaßen sicher können wir erst ab einer Größenordnung von ein paar hundert "fehlerkorrigierten" Qubits davon ausgehen (für erste Anwendungen). Laut Herstellern wie IBM, Google, IonQ, PsiQuantum wird dies erst am Ende der 2020er der Fall sein.

Man muss dabei beachten: Das sagen die Hersteller und vermutlich untertreiben sie dabei nicht.

Das ist eine sehr gute Frage und tatsächlich verbirgt sich dahinter eine "alte" Hypothese der Computerwissenschaften: Die Erweiterte Church-Turing-These. Die besagt nämlich:

Man kann jede Art von Rechenmaschine effizient mit einem herkömmlichen Computer simulieren. Wenn die Erweiterte Church-Turing-These stimmen würde, hiesse das, dass es keinen Sinn macht nach alternativen Computer-Architekturen zu forschen.

Und Google hat die Erweiterte Church-Turing-These nun mit dem Supremacy-Nachweis tatsächlich in der Praxis widerlegt. Und daran ändert IBMs verbessertes Simulationsverfahren NICHTS (es waren übrigens 2 1/2 Tage).

Der springende Punkt ist, das IBMs Simulationsverfahren nicht effizient, sondern exponentiell aufwendig ist!

D.h. wäre Google in der Lage Sycamore mal eben ein paar zusätzliche Qubits zu spendieren, würde man schnell die wahren Kräfteverhältnisse erkennen: Mit 60 Qubits würde IBMs Verfahren vermutlich 33 Summits benötigen, mit 70 Qubits müsste man eine ganze Stadt mit Summits füllen, …

Die Details zu Googles Supremacy-Nachweis und die Bedeutung dahinter beschreibe ich ziemlich ausführlich auf meiner Webseite:

http://www.quantencomputer-info.de/quanten-ueberlegenheit/quanten-ueberlegenheit/

Hope this helps :-)

Gegenfrage: Was sind für Dich normale Anwendungen?

Das ursprüngliche Ziel von Quantencomputern war es, Simulationen für Naturvorgänge auf atomarer Ebene durchzuführen. Entsprechend sind die natürlichen Anwendungen eines Quantencomputers

• Quantenphysik (z.B. auch Materialforschung, ...)
• Quantenchemie (z.B. auch Pharma, ein Ersatz für das Haber-Bosch-Verfahren, ...)
• Quanten-Biologie

Man weiß das Quantencomputer hierfür prinzipiell einen exponentiellen Vorteil gegenüber herkömmlichen Computern haben.

Im Laufe der Zeit hat sich herausgestellt, dass ein Quantencomputer vermutlich auch für andere Anwendungsgebiete einen Quantenvorteil haben können

• Kryptographie
• Optimierungsprobleme
• Lineare Algebra
• Künstliche Intelligenz

Das Problem dabei ist, dass dieser Vorteil erst bei sehr großen Quantencomputern zu tragen käme, die zudem genug Qubits besitzen, um eine „Quanten-Fehlerkorrektur“ durchzuführen.

Ob ein Vorteil auch mit aktuell absehbaren Quantencomputern (mit ein paar hundert Qubits) möglich wäre, ist Gegenstand aktueller Forschung. Aussichtsreiche Quanten-Algorithmen hierfür gibt es bereits.

Ich Detail beschreibe ich das alles auf meiner Webseite

http://www.quantencomputer-info.de/quantencomputer/anwendungen-fuer-quantencomputer/

Die Logik eines herkömmlichen Computers basiert auf unserer Alltagslogik und verwendet „Boolesche“ Verknüpfungen (bzw. Gatter) wie z.B. „NICHT“, „UND“, „ODER“

Die Quantenlogik gleicht eher den Drehungen eines Zeigers in einem hochdimensionalem Raum. Die Quantengatter heißen z.B. „X“, „Y“, „Z“ aber auch „Hadamard“ und „CNOT“.

Vgl. http://www.quantencomputer-info.de/quantencomputer/quantencomputer-einfach-erklaert/

Eine Programmiersprache für Quantencomputer muss diese Logik unterstützen. Im Prinzip kann das jede Programmiersprache leisten. Die Hersteller von aktuellen Quantencomputern (z.B. IBM, Google, D-Wave, Rigetti) verwenden dafür vermehrt die herkömmliche Programmsprache „Python“. Hierfür bieten sie jeweils eigene Zusatzmodule an bzw. eine API, die die Quantenlogik unterstützt. Diese API kommuniziert dann direkt mit der Elektronik des Quantencomputers und stellt die entsprechenden Quantengatter ein.

Bei IBM heißt sie z.B. "QISKIT" und bei Google z.B. "Cirq".

Im Detail stelle ich das alles in meinem freien Online-Buch für Quantencomputer vor, im Kapitel „Welche Quantencomputer gibt es jetzt schon“:

http://www.quantencomputer-info.de/quantencomputer/welche-quantencomputer-gibt-es-jetzt-schon/

Leider kann man das Ganze nicht in ein paar Worte fassen. Vor ein paar Jahren habe ich angefangen für den Laien verständliche Erklärungen aufzuschreiben. Herausgekommen ist ein freies Online-Buch über Quantencomputer. Meine beste Antwort auf die Frage ist das Einführungskapitel: „Quantencomputer einfach erklärt“

http://www.quantencomputer-info.de/quantencomputer/quantencomputer-einfach-erklaert/

Darin erkläre ich (übrigens in diversen Diagrammen):

Ein Quantencomputer arbeitet nicht mit Bits, sondern mit Qubits. Diese Qubits können jeweils die Werte 0 und 1 in einer gemischten bzw. überlagerten Zustandsform besitzen. Ein Qubit ähnelt dabei einem 2-dimensionalen Zeiger. N Qubits wiederum ähneln ebenfalls einem Zeiger in einem viel-dimensionalem abstrakten Raum (mit 2 hoch N Dimensionen). Dieser Zeiger überlagert jede mögliche N-Bit Kombination von 0en und 1en. Ein Quantenprogramm dreht nun diesen Zeiger in dem riesigen Raum.

D.h. insbesondere, dass ein Quantencomputer mit allen möglichen Werten gleichzeitig rechnen kann. Dabei steigt die Zahl dieser Werte exponentiell mit der Anzahl der Qubits. Das ist ein gewaltiges Leistungspotential gegenüber jedem herkömmlichen Supercomputer.

Am Ende einer Quanten-Rechnung, werden die Qubits ausgelesen. Dabei zerfallen die gleichzeitig vorhandenen Qubit-Zustände und am Ende bleibt nur noch einer der überlagerten Kombinationen von 0en und 1en übrig. Diese ausgelesene Kombination ergibt sich zufällig. Das nennt man auch „Bornsche Regel“ der Quantenmechanik. Die jeweiligen Wahrscheinlichkeiten kann man allerdings über das Quantenprogramm beeinflussen.

Und das ist die Kunst dabei: Man muss das Programm so gestalten, dass das gesuchte Ergebnis am Ende auch das Wahrscheinlichste ist. Bis zum Auslesezeitpunkt kann dann die enorme Rechenpower des Quantencomputers verwendet werden.

Ihr seht: Das alles kurz zusammenzufassen ist eigentlich unmöglich. Deshalb ist mein Einstiegs-Kapitel über 10 Seiten lang :-)

Aktueller Stand:

Es gibt noch keine wirklich sinnvolle Anwendung, die ein Quantencomputer aktuell schneller lösen kann als ein herkömmlicher Computer.

Googles neuer Quantencomputer Sycamore hat allerdings zuletzt gezeigt, dass ein Quantencomputer selbst gegenüber den besten herkömmlichen Supercomputern für gewisse akademische Anwendungen einen exponentiellen Vorteil hat.

Die Details dazu beschreibe ich in meinem freien Online-Buch über Quantencomputer: Googles Nachweis der Quanten-Überlegenheit

http://www.quantencomputer-info.de/quanten-ueberlegenheit/quanten-ueberlegenheit/

Als echte Anwendung für Googles Quanten-Überlegenheits Nachweis könnten "quantenzertifizierte" Zufallszahlen in Frage kommen.

Zukünftige Aussicht:

Es gibt aber sehr wohl diverse sehr wichtige Anwendungen, bei denen wir heute schon wissen, dass ein genügend großer Quantencomputer einen Riesen-Vorteil gegenüber jedem herkömmlichen Supercomputer hätte. Selbst für „Near-Term“-Quantencomputern gibt es Quanten-Algorithmen für die ein Quanten-Vorteil vermutet wird.

Zu diesen Anwendungen zählen: Quanten-Chemie, Quanten-Physik, Materialforschung, Optimierung, Künstliche Intelligenz / Machine Learning, Security

Die Details dazu beschreibe ich ebenfalls auf meiner Webseite: Anwendungen für Quantencomputer

http://www.quantencomputer-info.de/quantencomputer/anwendungen-fuer-quantencomputer/