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Mythos #4: „Quantencomputer nutzen ‚Parallele Berechnung‘ in parallelen Kernen und liefern Ergebnisse parallel.“
Dieser Mythos basiert vor allem auf ein weit verbreitetes Missverständnis, dass Quantencomputer ähnlich wie klassische Computer arbeiten, wobei sie eben mit parallelen Kernen arbeiten, parallele Berechnungen ausführen und gleichzeitig mehrere Ergebnisse liefern. Dies beruht auf einem grundlegenden Missverständnis darüber, wie Quantencomputer funktionieren.
Eindeutige Messergebnisse
Im Zentrum des Missverständnisses steht die Natur der Ausgabe von Quantenberechnungen. Trotz ihrer ausgeklügelten Mechanismen liefern Quantencomputer ein einziges Ergebnis pro Ausführung eines Algorithmus. Dieses Ergebnis resultiert aus dem letzten Schritt in einer Quantenberechnung, der die Messung des Quantenzustands umfasst. Durch diesen Messvorgang kollabiert die Superposition der Qubits in einen einzigen Zustand und produziert ein klassisches Ergebnis.
Trotz der quantenmechanischen Natur der Berechnung ist somit das Endergebnis immer ein klassisches Bit oder eine Zeichenkette von klassischen Bits. Dies liegt daran, dass das Messen in der Quantenmechanik zu klassischer Information führt. Daher ist die Ausgabe eines Quantencomputers kompatibel mit klassischen Systemen und kann für traditionelle Datenverarbeitung und Datenanalyse genutzt werden. Die Vorstellung von parallelen Ergebnissen ist demnach falsch, ein Messvorgang gibt auch ein einziges Ergebnis wieder.
Parallelität
In der klassischen Informatik wird Parallelität durch mehrere Verarbeitungskerne erreicht, die verschiedene Aufgaben gleichzeitig abwickeln können. Begriffe wie Single-Core, Dual-Core, Quad-Core, Octa-Core oder sogar Deca-Core mögen bzgl. klassischer Technologien bekannt sein. Die Präfixe – Single, Dual, Quad, Octa, Deca – geben uns Auskunft darüber, dass mehrere Kerne im Prozessor verbaut sind, die rein theoretisch auch parallel arbeiten können. Quantencomputer hingegen haben keine parallelen Kerne. Der Berechnungsprozess in Quantensystemen basiert auf vollständig anderen Prinzipien. Quantenprozessoren verwenden Qubits, die Informationen auf Arten darstellen und manipulieren können, wie klassische Bits es nicht können, indem sie Phänomene wie Superposition und Verschränkung nutzen.
Quantum Parallelism und Superposition
Die Idee des Quantum ‚Parallelism‘ wird oft fälschlich mit klassischer Parallelverarbeitung gleichgesetzt. Darunter wiederum wäre zu verstehen, dass bestimmte Prozesse parallel verarbeitet werden und demnach mehrere Ergebnisse zu diesen Prozessen liefern. Tatsächlich bezieht sich der Quantum Parallelism auf die Fähigkeit eines Qubits, gleichzeitig in mehreren Zuständen zu existieren, also dem eben genannten Phänomen der Superposition. Superposition ist aber nicht im klassischen Sinne zu verstehen. Quantenobjekte sind in einem Superpositionszustand, der mehrere Zustände gleichzeitig beschreibt. Wird ein Quantenobjekt gemessen, so nimmt das Quantenobjekt mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit nur einen bestimmten Zustand der möglichen mehreren Zustände an. Während ein klassisches Bit entweder 0 oder 1 ist, kann ein Qubit in einer Superposition beider Zustände sein. Diese Eigenschaft ermöglicht es Quantenalgorithmen, viele Möglichkeiten gleichzeitig zu berücksichtigen und theoretisch Geschwindigkeitsvorteile für bestimmte Berechnungen zu bieten. Es ist jedoch wieder von Bedeutung zu verstehen, dass das nicht heißt, dass Quantencomputer mehrere Ergebnisse parallel erzeugen. Wenn eine Quantenberechnung abgeschlossen ist, kollabiert die Superposition bei der Messung in einen einzigen Zustand. Der Quantenalgorithmus liefert dann ein Ergebnis pro Ausführung und nicht mehrere Ergebnisse.
Der Mythos beruht also wahrscheinlich auf einer vereinfachten und ungenauen Interpretation der Superposition. Während Superposition es Quantencomputern ermöglicht, viele Rechenwege gleichzeitig zu erkunden, resultiert das nicht in parallelen Kernen, die parallele Ergebnisse liefern. Die Existenz in mehreren Zuständen zur gleichen Zeit ist nicht im klassischen Sinne zu verstehen. Das Konzept ist abstrakter und betrifft das Potenzial für quantenmechanische Geschwindigkeitsvorteile bei bestimmten Arten von Problemen, wie das Faktorisieren großer Zahlen oder das Durchsuchen unsortierter Datenbanken, anstatt Parallelität im klassischen Sinne.
Zukünftige Aussichten und klassische Vergleiche
Es könnten nun einige Befürworter dieses Mythos argumentieren, dass zukünftige Fortschritte zu Quantencomputern mit kernartigen parallelen Strukturen führen könnten. Doch selbst wenn sich solche Entwicklungen ergeben, würden sie keinen fundamentalen Wandel in der Funktionsweise von Quantencomputern im Vergleich zu klassischen Computern darstellen. Außerdem bestreitet der Mythos nicht die Möglichkeit einer solchen Entwicklung. Es beschäftigt sich mit der inhärenten Natur von Quantencomputern und dem dahinterliegenden allgemeinen Prinzip, welches offenbar missverstanden wird. Superposition ist nicht im klassischen Sinne als gleichzeitiges Abarbeiten von irgendwelchen Prozessen oder Zuständen zu verstehen.
Schlussfolgerung
- Der Mythos entstammt eienm Missverständnis von Prinzipien der Quantenphysik.
- Quantencomputer nutzen Superposition und Verschränkung, um Berechnungen anders als klassische Computer auszuführen, erhalten jedoch ausschließlich ein einziges Ergebnis pro Ausführung eines Algorithmus.
Indem wir die realen Mechanismen hinter der Quantenberechnung schätzen, können wir ihre zukünftigen Anwendungen und Auswirkungen genauer vorhersehen.