Warum der Quanten-PC die SSD aller Festplatten ist, oder: Quantencomputer für Einsteiger

Wie erkläre ich ein schwieriges Thema, dass es verständlich aufgenommen werden kann? Wie weit kann ich gehen? Und wie tief verstehe ich selbst das Thema? Ich versuche den Quantencomputer für den Einsteiger so darzustellen, dass Basics verstanden und der Wissensdurst (zunächst) gestillt werden kann.

Als die ersten SSD-Modelle in den Jahren 2006/2007 massenmarkttauglich wurden, war das ein Quantensprung in Sachen Geschwindigkeit der Festplatten. Plötzlich war der Flaschenhals des Computers nicht mehr die Festplatte. Das Vielfache an Geschwindigkeit der – zuvor drehenden – Disks wurde nun über Chip-Technologie erreicht. PCs booteten in wenigen Sekunden vom Einschaltzeitpunkt ins Betriebssystem.

So ähnlich können wir uns den Sprung des herkömmlichen PCs zum Quantencomputer vorstellen – nur sehr viel drastischer!

Jeder Computer, egal ob klassischer Wohnzimmer-PC oder High-End-Supercomputer, arbeitet über zwei definierte Zustände: 0 und 1. Das ist unser sogenanntes Binärsystem. Dabei beschreibt die Technik die Zustände durch „Strom an“ (= 1) und „Strom aus“ (= 0). In der Digitaltechnik werden über diese beiden Bits alles was Du am Bildschirm siehst, dargestellt. Die beiden Zustände 0 und 1 können aufgrund unserer physikalischen Gesetze nicht gleichzeitig erzeugt werden.

Beim Quantencomputer redet die Tech-Welt von QBits oder eher Qubits (Quanten-Bits). Der enorme Vorteil dieser Entität ist, dass das Qubit beide Zustände auf einmal annehmen kann. Und auch die Zustände zwischen diesen beiden Möglichkeiten. Das ist schwer zu verstehen, kann jedoch über ein Beispiel, das ich bei quarks.de [1] gelesen habe, wie folgt dargestellt werden: Stelle Dir eine Münze vor. Jede der beiden Seiten steht für einen Zustand, 0 und 1. Nun schnippe sie mit Deinem Daumen in die Luft. Beim Drehen können wir keinen festen Zustand definieren, weil Sie für unsere Augen viel zu schnell rotiert. Dennoch nimmt die drehende Münze in jeder Position einen Zustand ein, und genau so können wir uns das Qubit vorstellen.

Ein Beispiel zur Rechengeschwindigkeit: Waren für das Lösen (knacken) durch einen Computer des Wortes „passwort1“ 1982 noch ca. 300 Jahre notwendig, so ist dies im Jahre 2020 schon in nur zwei Monaten möglich [2]. Ein Quantencomputer hätte dieses Passwort in weniger als einem Wimpernschlag errechnet.

Die Geschwindigkeit ist enorm und wird durch keine physikalischen Gesetze beschränkt [3]. Hätte man diese Technologie so weit im Griff, dass Sie herkömmlich (massenmarktfähig) eingesetzt werden könnte, wäre die Wissenschaft bereits weit auf dem Weg vorangekommen, herauszufinden woher unser Leben kommt, oder wie das All entstand etc…

Das vorherrschende Thema am Quantencomputer ist, die im Moment noch notwendige Kühlung. Es gibt verschiedene Ansätze, ein sehr vielversprechender ist ein integriertes Kühlsystem aus Finnland [4]. Wäre das effiziente Kühlen möglich, könnten bei hohen Minusgraden (Werte um 0,1 bis 1,5 Kelvin) viele Rechenoperationen durchgeführt werden. Und um die Geschwindigkeit geht es letzten Endes beim Quantencomputer.

Entgegen der Kühlmethodik beim klassischen PC (von Ableitung der Wärme über Metall > Flüssigkeit > Stickstoff), die darauf abzielt immer kältere Systeme zu erzeugen (um stärkere = heißere Prozessoren einsetzen zu können), wird beim Quantencomputer versucht, die Kühlung zu reduzieren [5] (um damit sinkenden Aufwand beim Kühlen zu erwirken).

Wo stehen wir im Moment? Es gibt bereits einige Quantencomputer-Babies, die in Ihrer Funktionsweise (für was sie konzipiert wurden), erfolgreich sind:

  • IBM Quantum Experience (der größte besitzt mittlerweile 65 Qubits) // Quantentechnologie nutzbar für jedermann (2016) [6]
  • Google stellt „Bristlecone“ vor (72 Qubits) // Lösen weltweiter Probleme (2018) [7]
  • Alibabas Quantencomputing-Cloud (11 Qubits) // Machine Learning, Erprobung von Quantenalgorithmen und -codes (2018) [8]
  • Googels Prozessor „Sycamore“ (54 Qubits) // Erzeugung von Zufallszahlen (2019) [9] und [10]
  • VWs D-Wave 2000Q™ Quantencomputer (2048 Qubits) // Verkehrsoptimierung – verbesserter Fahrgasttransport (2019) [11]
  • Microsoft Azure Quantum (50.000 Qubits) // Open Cloud Ecosystem (2019) [12]
  • IBM will 1000-Qubits Quantencomputer bauen (2023) [13]

Hier sehen wir, dass es schon einiges an Innovationen zu dem Thema gibt und natürlich vielversprechendes in Zukunft entwickelt werden wird.

Ein Quantencomputer wird umso schneller, je besser (mehrgliedriger) die Vernetzung der Qubits zueinander hergestellt werden kann. Ich kann mir ein Würfelmodell vorstellen, das über Verbindungen in jede Himmelsrichtung zueinander zulässt – dies jedoch ist Sache der Wissenschaftler =)

Die beiden größten Hürden, die die Quantentechnologie im Quantencomputing überwinden muss, ist zum einen das Eindämmen der im Moment noch großen Fehleranfälligkeit bei den Berechnungen und zum anderen die Tiefen Temperaturen, die vorgehalten werden müssen.

Das Thema ist spannend und wird in (evtl. mittelfristiger) Zukunft gelöst werden – da bin ich felsenfest davon überzeugt. Mal sehen wer zuerst da war: Die Henne oder das Ei?

 

[1: https://www.quarks.de/technik/faq-so-funktioniert-ein-quantencomputer/]
[2: https://www.betterbuys.com/estimating-password-cracking-times/]
[3: https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5]
[4: https://www.nature.com/articles/ncomms15189]
[5: https://www.faz.net/aktuell/wissen/physik-mehr/quantencomputer-temperatursprung-bei-qubits-16734171.html]
[6: https://quantum-computing.ibm.com/]
[7: https://ai.googleblog.com/2018/03/a-preview-of-bristlecone-googles-new.html]
[8: https://www.alibabacloud.com/press-room/alibaba-cloud-and-cas-launch-one-of-the-worlds-most]
[9: https://www.docdroid.net/h9oBikj/quantum-supremacy-using-a-programmable-superconducting-processor-pdf]
[10: https://ai.googleblog.com/2019/10/quantum-supremacy-using-programmable.html]
[11: https://www.volkswagen-newsroom.com/en/press-releases/volkswagen-optimizes-traffic-flow-with-quantum-computers-5507]
[12: https://cloudblogs.microsoft.com/quantum/2019/11/04/announcing-microsoft-azure-quantum/]
[13: https://www.sciencemag.org/news/2020/09/ibm-promises-1000-qubit-quantum-computer-milestone-2023]

Warum ein TN-S-Netz im Rechenzentrum wichtig ist

In Rechenzentren sollen Elektromagnetische Störungen und Ableitströme vermieden werden. Grund kann die Sensibilität – und damit Störanfälligkeit – von Server- und anderen Hardwarekomponenten sein. Hier informiere ich Euch, wie das realisiert werden kann.

Eine bisher recht gängige Netzform der herkömmlichen Elektroinstallation ist das TN-C-S-Netz. In dieser Netzform erreichen den zentralen Einspeisepunkt vier Leiter (L1, L2, L3 und PEN = TN-C-Netz) – das können zum Beispiel der Hausanschlusskasten (HAK) Deines Energieversorgungsunternehmens (EVU) im Keller oder im Dachgeschoss sein.

Der Einfachheit halber erläutere ich nachfolgend eine herkömmliche Wohnhaus-Installation: In den Zählerschrank kommen die beiden Leiter PE (= Schutzleiter) und N (= Neutralleiter) miteinander verbunden an (= PEN). Nun werden der PE und der N getrennt voneinander (also wird die Installation ab da als ein 5-Leiter-System ausgeführt = TN-S-Netz) in das gesamte Haus verteilt. Eine herkömmliche, moderne Steckdose wird also über die drei Adern braun (L1), blau (N), und grün/gelb (PE) angefahren.

Der L1 Außenleiter ist sozusagen der Stromlieferant, auf dem N-Leiter soll der Strom zurück fließen (das ist im Wechselstromnetz zwar etwas komplizierter – Ihr könnt einen Stecker ja auch drehen und es funktioniert trotzdem – das lassen wir jetzt jedoch so stehen) und der Schutzleiter dient dem Schutz der Person bei Berührung von leitfähigen Betriebsmitteln.

Da wir am Zentralpunkt einen PEN-Leiter haben, und wir gemäß VDE zur Erdung verpflichtet sind (i.d.F. VDE 0100-410), fließen die Rückleiterströme im Neutralleiter (blau) auch über den Schutzleiter (grün/gelb) – da de facto eine „galvanische Verbindung“ besteht. Eine galvanische Verbindung kann sachlich als eine direkte (physikalische) Verbindung zweier Komponenten betrachtet werden.

Und damit schließe ich den Kreis zurück zum Rechenzentrum: Da ab einem gewissen Punkt die N- und PE-Leiter getrennt voneinander geführt werden, sind (im theoretischen Falle) alle Hardwarekomponenten, Schalter, Lampen etc… also alle elektrischen Anschlusspunkte 5-Adrig ausgeführt. Der Neutralleiter darf ab dem Punkt der Trennung im gesamten Rechenzentrum keinerlei Verbindung mit dem Schutzleiter aufweisen. Wir sprechen bei einer Berührung der beiden Leiter von einer PEN-Brücke (die es absolut zu vermeiden gilt!). Somit ist gewährleistet, dass innerhalb des Rechenzentrums keine Ableitströme auf dem Schutzleiter fließen. Und wo kein Stromfluss, da kein Magnetfeld. Die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ist in einem TN-S-Netz ergo weitaus höher als in anderen Netzformen.

Ein Ableitstrom wird nicht nur über die strikte Trennung von N und PE verhindert. Auch ist es verpflichtend in einem TN-S-Netz, gemäß DIN EN 50310 (VDE 0800-2-310) nur einen einzigen Erdungspunkt zu definieren (Single Point of Connection – SPC). Damit wird gewährleistet, dass es nicht zu Potentialunterschieden kommt, die Ableitströme verursachen.

Somit muss bei der Planung von Rechenzentren und IT-Räumen strikt auf die Umsetzung eines TN-S-Netzes geachtet werden. Sollte es sich bei (D)einem Rechenzentrun um ein Gebäude handeln, das zuvor eine reine Office-Funktionen hatte, kann das Netz in ein TN-S-Netz umgerüstet werden. Hierbei müssen dann alle PEN-Brücken entfernt, und die Anlage sollte am besten mittels einem sogenannten Differenzstrom-Überwachungsmonitoring, dauerhaft überprüft werden.

Ein vielgemachter Fehler in Rechenzentren ist das Einspeisen der Energie in das Gebäude über mehrere Niederspannungsverteiler. Der Umstand als solcher ist kein Fehler und wird ob der geforderten Redundanz auch so realisiert. Jedoch jede der beiden Verteilungen kommt mit einem eigenen PEN-Anschluss. Über klassische Netzwerkverbindungen (LAN-Kabel), die durch ihren Schirm einen direkten Kontakt zwischen den beiden PEN-Anschlüssen über den gesamten Potentialausgleich des Gebäudes herstellen, erhalten wir dadurch ein Potentialausgleichsgefälle, und so einen Differenzstrom. Ergo müssen wir bei der Verbindung der beiden Einspeisungen darauf achten, eine galvanische Trennung zu realisieren. Dies kann beispielsweise über Lichtwellenleiter geschehen.