Ein Quantenrechner macht sich einige der beinah mystischen Phänomene der Quantenmechanik zunutze, um, so zumindest die Hoffnung, enorme Sprünge bei der Rechenleistung zu erzielen. Quantencomputer versprechen, selbst die leistungsfähigsten Supercomputer von heute – und morgen – zu übertreffen.
Sie werden jedoch herkömmliche Computer nicht sofort beerben. Der Einsatz klassischer Rechner wird immer noch die einfachste und wirtschaftlichste Lösung für die meisten Anwendungen sein. Dennoch versprechen Quantencomputer spannende Fortschritte in zahlreichen Bereichen, von der Materialwissenschaft bis zur Arzneimittelforschung. Unternehmen experimentieren bereits seit längerem mit ihnen, um etwa leichtere und leistungsfähigere Batterien für Elektroautos zu entwickeln oder neue Wirkstoffe zu finden. Gemeinsam ist der Technik stets: Das Geheimnis der Leistungsfähigkeit eines Quantencomputers liegt in seiner Fähigkeit, Quantenbits (Qubits) zu erzeugen und mit diesen zu arbeiten.
1. Was ist ein Qubit?
Heutige Computer verwenden bekanntermaßen Bits, elektrische oder optische Impulse, die 1 (an) oder 0 (aus) darstellen. Alles Digitale – vom Tweet oder der E-Mail bis hin zu Songs bei iTunes oder einem Youtube-Video – besteht im Wesentlichen aus langen Reihen dieser binären Ziffern.
Quantencomputer hingegen verwenden Qubits. Das sind "Zustände" von subatomaren Teilchen wie Elektronen oder Photonen. (Wenn Physiker davon sprechen, dass sich ein Quantensysteme in einem bestimmten "Zustand" befinden, meinen sie, dass diese zum Beispiel eine bestimmte Energie haben, sich an einem bestimmten Ort befinden, oder sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegen).
Die Erzeugung von und der Umgang mit Qubits ist eine wissenschaftliche und technische Herausforderung. Einige Unternehmen wie IBM, Google und Rigetti Computing verwenden supraleitende Schaltkreise, die auf Temperaturen gekühlt werden, die kälter sind als das Umfeld im Weltraum. Andere Firmen, etwa Ionq, fangen einzelne, elektrisch geladen Atome in elektromagnetischen Feldern auf einem Siliziumchip in Ultrahochvakuumkammern ein. In beiden Fällen besteht das Ziel darin, die Qubits in einem kontrollierten Quantenzustand zu isolieren.
Qubits haben einige auf den ersten Blick unerklärliche Quanteneigenschaften, die dazu führen, dass eine zusammenhängende Gruppe von Qubits weitaus mehr Rechenleistung erbringen kann als die gleiche Anzahl binärer Bits. Eine dieser Eigenschaften ist als Quantensuperposition bekannt, eine andere als Quantenverschränkung.
2. Was ist Superposition?
Qubits können zahlreiche mögliche Kombinationen von 1 und 0 gleichzeitig darstellen. Diese Fähigkeit, sich gleichzeitig in mehreren Zuständen zu befinden, wird als Superposition bezeichnet. Um Qubits dorthin zu bringen, manipulieren Forscher sie mit Präzisionslasern oder Mikrowellenstrahlen.
Dank dieses für den Menschen kontraintuitiven Phänomens kann ein Quantencomputer mit mehreren Qubits in Superposition eine große Anzahl möglicher Ergebnisse gleichzeitig durchrechnen. Das endgültige Ergebnis einer Berechnung ergibt sich dabei erst, wenn die Qubits gemessen werden, wodurch ihr Quantenzustand sofort auf 1 oder 0 "kollabiert", wie man sagt.
3. Was ist Verschränkung?
Forscher können Paare von Qubits erzeugen, die "verschränkt" sind, das heißt zwei Mitglieder eines Paares befinden sich in einem einzigen Quantenzustand. Ändert sich der Zustand eines der Qubits, ändert sich der Zustand des anderen sofort und auf vorhersehbare Weise. Dies geschieht selbst dann, wenn diese über sehr große Entfernungen voneinander getrennt sind.
Noch immer weiß niemand so recht, wie oder warum Quantenverschränkung funktioniert. Sogar Einstein, der sie einst als "spukhafte Fernwirkung" bezeichnete, war verblüfft. Aber sie ist der Schlüssel zur Leistungsfähigkeit von Quantencomputern. Bei einem herkömmlichen Computer verdoppelt sich die Rechenleistung etwa, wenn man die Anzahl der Bits verdoppelt. Aber dank der Quantenverschränkung führt das Hinzufügen zusätzlicher Qubits zu einem exponentiellen Anstieg der Rechenleistung eines Quantencomputers.
Quantencomputer nutzen diese dann in einer Art Quantenkette. Das Ergebnis ist fast magisch: Die Fähigkeit solcher Maschinen, Berechnungen mithilfe speziell entwickelter Quantenalgorithmen zu beschleunigen, ist der Grund, warum ihr Potenzial so viel Aufsehen erregt.
Das ist die gute Nachricht. Die schlechte Nachricht ist, dass Quantencomputer wegen der sogenannten Dekohärenz viel fehleranfälliger sind als klassische Computer.
4. Was ist Dekohärenz?
Die Wechselwirkung von Qubits mit ihrer Umgebung auf eine Weise, die dazu führt, dass das Quantenverhalten "zerfällt" und schließlich ganz verschwindet, wird als Dekohärenz bezeichnet. Der Quantenzustand ist nämlich extrem empfindlich. Die geringste Vibration oder Temperaturänderung – in der Quantensprache "Rauschen" genannt – kann dazu führen, dass sie aus der Superposition herausfallen, bevor ihre Arbeit erledigt ist. Deshalb tun Forscher ihr Bestes, um die Qubits in Kühl- und Vakuumkammern vor der Außenwelt zu schützen.
Doch trotz ihrer Bemühungen schleichen sich durch Quantenrauschen immer noch viele Fehler in die Berechnungen ein. Intelligente Quantenalgorithmen können einige dieser Fehler zwar ausgleichen und auch das Hinzufügen weiterer Qubits hilft. Es werden jedoch wahrscheinlich Tausende von Standard-Qubits benötigt, um ein einziges, äußerst zuverlässiges Qubit, das so genannte "logische" Qubit, zu erzeugen. Dies wird aber einen großen Teil der Rechenkapazität eines Quantencomputers in Anspruch nehmen.
Bislang arbeiten Unternehmen daran, Prozessoren mit immer mehr Qubits zu erzeugen. So stellte etwa IBM im Jahr 2021 unter dem Namen Eagle ein System mit der damals rekordverdächtigen Anzahl von 127 Qubits vor. Im November 2022 wurde dann der Osprey-Prozessor mit 433 Qubits veröffentlicht. Im Dezember 2023 kam der IBM Condor-Prozessor mit 1.121 Qubits heraus. Getoppt wurde dieser aber von der Entwicklung eines Startups namens Atom Computing, das im Oktober zuvor ihren Quantencomputer mit 1.180 Qubits vorstellte.
Doch trotz der Rekordmeldungen zeichnet sich ebenso der Trend von "modularen" Quantencomputern ab, bei denen mehrere Prozessoren miteinander verbunden werden. Der ebenfalls 2023 von IBM vorgestellte Quantenchip Heron etwa verfügt zwar nur über 133 Qubits, doch er soll bis zu fünfmal so leistungsfähig sein wie der 127-Qubit-Eagle. Die Qubits seien nach Angaben des Unternehmens qualitativ sehr viel besser, sodass IBM plant, 2024 bis zu 5.000 Qubit-Operationen hintereinander ausführen zu können, ohne dass es zu nennenswerten Problemen kommt. Das Ziel all dieser Entwicklungen heißt "Quantenüberlegenheit" (Quantum Supremacy).
5. Was ist Quantenüberlegenheit?
Dies ist der Punkt, an dem ein Quantencomputer eine mathematische Berechnung durchführen kann, die nachweislich selbst für den leistungsstärksten Supercomputer unerreichbar ist, weil sie enorm lange dauert.
Es ist noch unklar, wie viele Qubits genau benötigt werden, um dies zu erreichen, da Forscher immer wieder neue Algorithmen finden, um die Leistung klassischer Rechner zu steigern und die Hardware von Supercomputern immer besser wird. Forscher und Unternehmen arbeiten jedoch hart daran, sich den Titel an der Spitze zu sichern, indem sie Tests mit einigen der leistungsstärksten Supercomputer der Welt durchführen.
In der Forschungswelt wird viel darüber diskutiert, wie bedeutsam das Erreichen dieses Meilensteins sein wird. Anstatt auf die Erklärung der Quantum Supremacy zu warten, experimentieren Unternehmen bereits mit aktuellen Quantencomputern von Firmen wie IBM, Rigetti und D-Wave, einer kanadischen Firma. Chinesische Unternehmen wie Alibaba bieten ebenfalls Zugang zu Quantencomputern an. Einige Unternehmen kaufen Quantencomputer selbst, andere nutzen solche, die über Cloud-Computing-Dienste bereitgestellt werden.
6. Wo werden Quantencomputer zuerst am nützlichsten sein?
Eine der vielversprechendsten Anwendungen von Quantencomputern ist die Simulation des Verhaltens von Materie bis hinunter auf die molekulare Ebene. Automobilhersteller wie Volkswagen und Daimler setzen Quantencomputer ein, um die chemische Zusammensetzung von Elektroauto-Batterien zu simulieren und so neue Wege zur Verbesserung ihrer Leistung zu finden. Und Pharmaunternehmen nutzen sie, um Wirkstoffverbindungen zu analysieren und zu vergleichen, die zur Entwicklung neuer Medikamente führen könnten.
Die aktuellen Rechner eignen sich auch hervorragend für Optimierungsprobleme, da sie extrem schnell eine große Anzahl möglicher Lösungen durchgehen können. Airbus beispielsweise nutzt sie, um die treibstoffeffizientesten Steig- und Sinkflugbahnen für Flugzeuge zu berechnen. Und Volkswagen hat einen Dienst vorgestellt, der die optimalen Routen für Busse und Taxis in Städten berechnet, um Staus zu minimieren. Einige Forscher glauben auch, dass Quantencomputer zur Beschleunigung der künstlichen Intelligenz eingesetzt werden könnten.
Allerdings: Es dürfte noch einige Jahre dauern, bis Quantencomputer ihr volles Potenzial entfalten. Universitäten und Unternehmen, die an ihnen arbeiten, haben mit einem Mangel an qualifizierten Forschern auf diesem Gebiet zu kämpfen – und zeitweise auch mit einem Mangel an Lieferanten für einige der komplexen Schlüsselkomponenten. Doch wenn diese exotischen neuen Rechner ihr Versprechen einlösen, könnten sie ganze Branchen verändern und weltweit Innovationen ankurbeln.