Seit ein paar Jahrzehnten geistert der Begriff des Quantencomputers durch die Medienlandschaft. Dieser soll um ein Vielfaches Leistungsfähiger sein, als unsere heutigen Rechnersysteme. Schließlich basieren heutige Rechnerarchitekturen auf den Gesetzen der klassischen Physik und kommen durch fortschreitende Miniaturisierung immer mehr an ihre technischen Grenzen. Denn spätestens in der Größenordnung weniger Atome treten Effekte wie Tunnelströme auf, die zu Fehlfunktionen führen würden. Zwar setzen immer neuere Verfahren diese Grenze immer weiter herab, aber irgendwann kommt man bei der Suche nach noch kleineren Strukturen an der Quantenmechanik einfach nicht mehr vorbei. Wie weit diese Technik ist, die von IBM und Google bereits heftig beworben wird und welche Anwendung es dafür gibt soll dieser Artikel aufzeigen.

Heutige Rechnerarchitekturen basieren in den meisten Fällen letztendlich immer noch auf der Von-Neumann-Architektur (VNA) der 1940er Jahre. Sie besitzen einen gemeinsamen Speicher, ein Bussystem, eine Kontrolleinheit und einen zentralen Prozessor (siehe Abb. 1), der Rechenoperationen und logische Verknüpfungen durchführt. Diese Operationen werden sequentiell abgearbeitet (Von-Neumann-Zyklus) und garantieren einen deterministischen Programmablauf. Daten-Inkohärenzen oder „Race Conditions“ sind durch das Bussystem, über den die CPU auf Daten und Programme zugreift, ausgeschlossen. Eine Parallelverarbeitung wird demnach nicht ermöglicht und ist in diesem Konzept auch nicht erwünscht. Eine Performance-Steigerung lässt sich daher nur durchführen, indem man den zentralen Prozessor immer schneller werden lässt. Dies ist aber an technischen Grenzen gekoppelt, was man bereits bei heutigen Prozessoren erkennen kann, da dort seit einiger Zeit nicht mehr die Taktfrequenz erhöht wird, sondern ausschließlich die Kerne. Dadurch ist die CPU theoretisch in der Lage Operationen parallel zu berechnen. Allerdings muss auch die genutzte Software dies entsprechend unterstützen, da sonst die Anzahl der CPU-Kerne nicht relevant wäre. Hinzu kommt, dass der Minimierung der Elektronik physikalische Grenzen gesetzt sind, so dass man seit ein paar Jahrzehnten bereits über sog. Quantencomputer nachdenkt.

Lesen Sie in dem neuen NET-Artikel von Dr. Detken, welche Herrausforderungen für die Kryptographie Quantencomputer bedeuten.