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Erster ZHAW-Student programmiert Quantencomputer

Für komplexe Aufgaben brauchen auch heutige Computer noch viel Zeit. Quantencomputer werden das künftig in einem Bruchteil davon schaffen. An der ZHAW School of Engineering hat nun erstmals ein Informatik-Student einen Algorithmus für solch einen Computer implementiert.

Alexandros Soultanis ist der erste der ZHAW-Student, der einen Algorithmus für einen Quantencomputer implementiert hat.
Kurt Stockinger (links) und Rudolf Füchslin (rechts) betreuten Alexandros Soultanis in seiner Projektarbeit.

Es ist ein Rennen mit unbekanntem Ausgang. Das Tempo geben Technologie-Giganten aus den USA und China vor. Wer bringt den ersten kommerziellen Quantencomputer auf den Markt? Bisher ist noch kein potenzieller Hersteller über den Prototypenstatus hinausgekommen. Und wer soll mit diesen Maschinen überhaupt arbeiten? Quanten­pro­gram­mie­rer sind derzeit noch rar. Die ZHAW School of Engineering schickt mit dem Informatik-Studenten Alexandros Soultanis ihren ersten Kandidaten ins Rennen.

Alles zwischen null und eins
Normale Computer speichern Informationen in Bits und kennen nur den Zustand 0 oder 1. Quantencomputer dagegen basieren auf den Prinzipien der Quantenphysik. Sogenannte Qubits – also Quantenbits – enthalten mehr Informationen als eine 0 oder 1. «Sie können Mischzustände zwischen 0 und 1 repräsentieren und auf beiden Zuständen gleichzeitig oper­ie­ren», erklärt ZHAW-Dozent Rudolf Füchslin. «Anstatt wie ein klassischer Computer alle Möglichkeiten der Reihe nach abzuarbeiten, können Quantencomputer daher komplexe Probleme parallel lösen.» Noch hat die Technologie einen Nachteil: Äussere Einflüsse – beispielweise Temperatur­schwankungen – lassen die Qubits instabil werden. Die Berechnungen werden fehlerhaft. Dadurch lassen sich mit Quantencomputern keine hundertprozentigen Aussagen treffen. Die Herausforderung besteht darin, Algorithmen zu entwickeln, die mit möglichst hoher Wahrscheinlichkeit korrekte Ergebnisse liefern.

Erst einmal klein anfangen
Alexandros Soultanis ist der erste Quanten-Programmierer der ZHAW School of Engineering. In seiner Projektarbeit im fünften Semester beschäftigte er sich mit dem sogenannten Grover-Algorithmus, der für das schnelle Durchsuchen von Datenbanken verwendet werden kann. Klassische Computer benötigen für das Durchsuchen von unsortierten Daten im schlimmsten Fall genauso viele Schritte, wie die Liste Einträge hat. Der Grover-Algorithmus könnte diese Aufgabe zukünftig in einem Bruchteil der Schritte lösen. Der Informatik-Student implementierte den Algorithmus, testete ihn auf einem Quantensimulator und führte in letztlich auf einem Quantencomputer von IBM aus, der Forschenden kostenfrei zur Verfügung steht. «Man kann die Arbeit von Alexandros Soultanis mit einem Lego-Roboter vergleichen. Es ist zwar kein richtiger Roboter, aber er hilft, die Grundlagen der Robotik zu verstehen», sagt ZHAW-Dozent Kurt Stockinger. Zusammen mit Rudolf Füchslin betreute er Alexandros Soultanis bei der Aufgabe, den Quantencomputing-Algorithmus zu implementieren. «Mein Algorithmus arbeitet derzeit mit nur vier Qubits», sagt Alexandros Soultanis. Komplexere Probleme zu berechnen sei damit noch nicht möglich. Sein Ziel: In seiner Bachelorarbeit will er untersuchen, wie sich der Algorithmus skalieren lässt und er einfache Machine Learning-Algorithmen auf einem Quantencomputer implementieren kann.