Quantencomputer Mit Quanten in die Technikzukunft

Von Christian J. Meier 

Quantencomputer gibt es bereits – doch bis sie zur Hochform auflaufen, dauert es wohl noch Jahrzehnte.

Quantencomputer können mit „0“ und „1“ gleichzeitig arbeiten. Foto: Adobe Stock, 95447925
Quantencomputer können mit „0“ und „1“ gleichzeitig arbeiten. Foto: Adobe Stock, 95447925

Stuttgart - Google schließt eine waghalsige Wette ab: Der Technik-Vorreiter will bald einen praxistauglichen Quantencomputer vorweisen. Ein solcher Rechner soll dank der bizarren Gesetze der Quantenphysik sekundenschnell Aufgaben lösen, für die ein herkömmlicher Computer viel, viel länger bräuchte. China holt mit Fördermilliarden rasch auf. Auch die EU investiert Millionen in die neue Technik. Im Wochentakt posaunen Forscher Trippelschritte auf dem Weg zum Quanten­computer heraus.

Dabei ist unklar, bei welchen Anwendungen ein Quantencomputer überlegen sein wird – es könnten enttäuschend wenige sein. Fraglich ist auch, ob er überhaupt funktionieren wird. Dennoch zeigt sich der Quantenphysiker Martin Plenio von der Uni Ulm überzeugt: „Es wird ein Kopf-an-Kopf-Rennen zwischen herkömmlichen Computern und Quantenrechnern geben, doch am Ende wird der Quantencomputer weit voraus sein.“ Experten rechnen schon bald mit ersten Geräten für spezielle Forschungsanwendungen. Einen in vielen Belangen überlegenen Quantenrechner erwarten sie erst in einem bis in mehreren Jahrzehnten. Einige sagen: Nie.

Die Datenexplosion bewältigen

Der Wunsch nach einer Art Über-Rechner wächst mit jeder Verdopplung der weltweiten Datenmenge alle zwei Jahre. Der Quantencomputer verspricht, mit der Datenexplosion Schritt zu halten. Denn er soll die Rechenkraft explodieren lassen.

Die Schwäche gängiger Rechner ist ihre Art, Daten zu speichern. Dafür werden sogenannte Bits genutzt. Ein einzelnes Bit kann die Information „ja“ oder „nein“ aufnehmen, im Informatikerdeutsch: „0“ oder „1“. Verkörpert wird es durch einen Strom, der fließt (1) oder nicht fließt (0). Die beiden Werte kann das Bit nur abwechselnd speichern, weshalb der klassische Computer einen Rechenschritt nach dem anderen ausführt. Schnell ist er, weil er Ströme binnen Nanosekunden an- und abschaltet. Er ist sozusagen ein Spezialist für Sprint.

Sichere Verschlüsselung

Die Gesetze der Quantenphysik hingegen heben den Zwang zum Eins-nach-dem-anderen auf. Dank sogenannter Qubits, die „0“ und „1“ simultan speichern, kann ein Quantencomputer astronomisch viele Werte parallel aufnehmen. Daher ist es ihm theoretisch möglich, derzeit gängige Verschlüsselungen durch blitzschnelles Ausprobieren vieler Kombinationen zu knacken. Um Online-Banking, digitale Signaturen oder Bitcoins zu hacken, bräuchte es indessen einen Quantencomputer mit Tausenden Qubits. Daten, die länger als zehn Jahre unter Verschluss bleiben müssen, sollten schon möglichst bald mit neuen, „quantensicheren“ Verschlüsselungen geschützt werden, mahnt Michele Mosca von der Universität im kanadischen Waterloo, der am Quantenrechner forscht. Das könnten militärische Geheimnissen oder digitale Grundbucheinträge sein.

Aber schon ein viel kleinerer Quantencomputer mit 50 Qubits könnte bestimmte Aufgaben schneller lösen als der größte existierende Supercomputer. Chemische Verbindungen, die aus 50 Atomen oder mehr bestehen, können selbst riesige Supercomputer nicht simulieren. Relativ kleine Quantencomputer hingegen könnten es. Sie könnten etwa bei der Suche nach einem Supraleiter helfen, der Strom bei Raumtemperatur verlustfrei leitet.

Kommunizierende Qubits

Die Quantencomputer von IBM und Google sind mit ihren 50 beziehungsweise 72 Qubits an dieser Schwelle. Dennoch beanspruchen die Firmen noch keine Quantenüberlegenheit. Denn die bloße Anzahl an Qubits sagt noch wenig über die Leistungsfähigkeit eines Quantencomputers. Dazu müssen die Qubits miteinander kommunizieren, Physiker sprechen von ihrer Verschränkung (siehe Infokasten). „Nur mit Gruppen mehrerer verschränkter Qubits kann ein Quantencomputer effektiv arbeiten“, sagt Plenio. Ein Quantencomputer mit 20 Qubits, den ein Team um den Physiker Rainer Blatt von der Uni Innsbruck gebaut hat, ist der größte, der diese Forderung erfüllt. Plenios Ulmer Team stellte die Methodik dafür bereit. Googles Team um John Martinis von der University of California in Santa Barbara prüft, ob sein Gerät dies auch kann. Falls ja, wäre die Quantenüberlegenheit erreicht.

Doch eben nur für sehr spezifische Anwendungen. Ein viel größerer, universeller Quantencomputer bleibt noch Science-Fiction. Qubits verlieren durch Umwelteinflüsse ihre magischen Fähigkeiten nach Sekundenbruchteilen. Dafür reicht schon der Zusammenprall mit einem Luftmolekül. Daher arbeiten Qubits im Vakuum bei tiefsten Temperaturen. Das Problem: Der Ausbau auf viele Qubits erhöht die Anfälligkeit. Zwar lassen sich die Störungen korrigieren, doch dafür müssen jedem Qubit viele zusätzliche Korrektur-Qubits beigestellt werden. „Ein universeller Quantencomputer müsste daher wohl Millionen Qubits umfassen“, sagt Plenio.

Kratzen an der Oberfläche

Google & Co. kratzen also an der Oberfläche des wirklich überlegenen Quantencomputings. Doch selbst wenn es gelingt, einen großen Quantencomputer zu beherrschen, könnte dieser nur wenige Aufgaben schneller erledigen. Denn die Verschränkung von Qubits muss regelrecht orchestriert werden, um zu einem sinnvollen Ergebnis zu kommen. Solche „Partituren“, Quantenalgorithmen genannt, gibt es bislang nur für wenige Aufgaben, wie das Knacken von Verschlüsselungen. Physiker entwickeln Quantenalgorithmen für die Erkennung verborgener Muster in großen Datenmengen, um etwa den komplexen Zusammenhang von Genmutationen und Krankheiten wie Krebs zu erkennen. Was das Interesse von Google an der potenziellen Wundermaschine erklärt.