Einsatz von Quantencomputing zur Bekämpfung des globalen Klimawandels: Chancen und Herausforderungen

Quantencomputing bezeichnet eine neue Form des Rechnens, die auf der Quantenphysik basiert. Es verspricht, herkömmliche Computer bei der Datenverarbeitung und -optimierung zu übertreffen. Die Technologie könnte eine breite Palette von Umweltanwendungen haben, einschließlich der Verbesserung der Energieleistung und der Optimierung der Stadtplanung.

Was ist Quantencomputing?

Klassische Computer, die in unserem täglichen Leben verwendet werden, sind für die Entwicklung der Menschheit von Vorteil. Sie werden jedoch langsam durch immer ausgefeiltere Maschinen ersetzt.

Ein Problem, das klassische Computer nicht lösen können, ist die Optimierung. Wie viele Kombinationsmöglichkeiten gibt es beispielsweise, um eine Bestuhlung für 10 Personen an einem Tisch zu konfigurieren? Die Antwort entspricht etwa 3,6 Millionen Kombinationen. Mit steigender Sitzplatzzahl steigt auch die Zahl der möglichen Kombinationen exponentiell. Um die beste Anordnung der Sitzplätze zu finden, benötigen wir zunächst einen Kriterienkatalog, der die beste Anordnung bestimmt. Der aufwändigste und zeitaufwändigste Teil besteht jedoch darin, dass ein klassischer Computer jede Kombination simulieren müsste, um die Ergebnisse zu generieren. Abhängig von der Größe der Daten kann es bei klassischen Computern lange dauern, bis Ergebnisse generiert werden. Quantencomputer haben jedoch das Potenzial, Probleme in wenigen Minuten zu lösen.

Die grundlegende Informationseinheit in einem klassischen Computer wird als Binärziffer bezeichnet, im Allgemeinen auch als „Bit“ bezeichnet. Ein Bit ist „1“ oder „0“. Wenn zwei Bits hintereinander liegen, gibt es vier mögliche Kombinationen – 00, 01, 10 und 11. Daher müsste ein klassischer Computer viermal simulieren, um ein Ergebnis zu erzielen.

Andererseits wird die grundlegende Informationseinheit in einem Quantencomputer „Qubit“ genannt. Ein Qubit ist weder eine „1“ noch eine „0“. Stattdessen liegt es in einer Überlagerung von „1“ und „0“ vor. Mit anderen Worten, es ist gleichzeitig eine „1“ und eine „0“. Daher befinden sich zwei Qubits hintereinander in einer Überlagerung von vier Zuständen – 00, 01, 10 und 11. Warum ist es revolutionär? Die Überlagerung aller Zustände zeigt, dass ein Quantencomputer theoretisch nur einmal simulieren muss, um ein Ergebnis zu generieren. Finden Sie in nur wenigen Versuchen die beste Anordnung von 10 Sitzplätzen aus mehr als 3,6 Millionen Kombinationen.

Welcher Zusammenhang besteht zwischen Quantencomputing und Umweltschutz?

Quantencomputing kann in jedem Bereich eingesetzt werden, der optimiert werden muss; es kann sich um die Verbesserung der Energieleistung oder um die Entwicklung einer intelligenten Stadt handeln, die den Energieverbrauch minimiert.

Ein Beispiel ist das quadratische Zuordnungsproblem (QAP), ein mathematisches Problem, das klassische Computer schlecht lösen. Angenommen, es gibt n Einrichtungen und n Standorte, und Sie müssen an jedem Standort eine Einrichtung konfigurieren, um den Energieverbrauch zu minimieren. Wenn wir häufig große Frachtmengen zwischen zwei Einrichtungen transportieren müssen, möchten wir diese logischerweise näher beieinander platzieren und umgekehrt.

Eine Studie verglich die Leistung von Quanten- und klassischen Computern bei der Lösung quadratischer Zuordnungsprobleme, indem sie Daten von 20 Einrichtungen und Standorten bereitstellte. Infolgedessen lieferte der Quantencomputer in etwa 700 Sekunden eine genaue Antwort, während der klassische Computer das Zeitlimit von 12 Stunden nicht einhielt. Diese Forschung zeigt das enorme Potenzial des Quantencomputings bei der Optimierung der Stadtplanung zur Minimierung des Energieverbrauchs.

Quantencomputing selbst ist neben seiner Funktionalität auch eine umweltfreundliche Technologie. Laut einer gemeinsam von der NASA, Google und dem Oak Ridge National Laboratory veröffentlichten Studie benötigt ein Quantencomputer nur 0,002 % der Energie, die ein klassischer Computer verbraucht, um dieselbe Aufgabe auszuführen. Der Energieverbrauch von Computern ist enorm; wenn man den Energieverbrauch von Computern und Smartphones des Durchschnittsbürgers außer Acht lässt, sind Rechenzentren selbst bereits für mehr als 1 % des weltweiten Stroms verantwortlich. Wenn Daten in Form von Qubits gespeichert werden könnten, könnten wir viel Energie einsparen.

Aktuelle Herausforderungen für Quantencomputing

Der derzeit leistungsstärkste Quantencomputer der Welt ist der „​Eagle​​“ mit einer 127-Qubit-Kapazität, entwickelt von International Business Machines Corporation (IBM). Wissenschaftler glauben jedoch, dass Quantencomputer keine kommerzielle Nutzung haben werden, wenn sie nicht über eine Kapazität von mindestens 1.000 Qubits verfügen. Die langsame Entwicklung von Quantencomputern ist größtenteils auf die technischen Schwierigkeiten bei deren Bau zurückzuführen.

Wissenschaftler werden gebeten, so kleine Teilchen wie Elektronen zu manipulieren, um Qubits zu erzeugen. Elektronen müssen Kohärenz aufrechterhalten, d. h. einen Zustand, in dem Elektronenwellen kohärent miteinander interferieren können. Allerdings reagieren Elektronen sehr empfindlich auf äußere Umgebungen wie Lärm und Temperatur. Daher erfolgt die Herstellung von Qubits normalerweise in einer isolierten Umgebung, die nahe dem absoluten Nullpunkt arbeitet. Da sich Atome in ihrem niedrigsten Energiezustand, dem absoluten Nullpunkt, bewegen, hilft ihnen das Halten der Elektronen bei dieser Temperatur, stabil zu bleiben und weniger von der äußeren Umgebung beeinflusst zu werden. Dies ist eine Möglichkeit, das Auftreten von Dekohärenz zu reduzieren. Wenn jedoch Dekohärenz auftritt, haben wir immer noch keine klare Möglichkeit, sie zu korrigieren, da äußere Störungen die verbleibende Kohärenz anderer Elektronen zerstören können.

Obwohl sich das Quantencomputing noch in der Entwicklungsphase befindet, haben wir auf diesem Gebiet seit seinen Anfängen als Theorie in den 1980er Jahren enorme Fortschritte erlebt. Quantencomputer könnten der nächstgrößte Fortschritt der Menschheit sein, von der Verfolgung molekularer Daten im menschlichen Körper, die herkömmliche Computer nicht leisten können, über die Entwicklung von Arzneimitteln zur Behandlung verschiedener unheilbarer Krankheiten bis hin zur Optimierung der Energieeffizienz von Städten, Ländern und sogar der Welt.

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