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Computer der Zukunft : Was ist eigentlich ein Quantencomputer?

  • -Aktualisiert am

Ein Quanten-Chip mit neun Qubits. Bild: Erik Lucero, Google

Schneller, effizienter, leistungsstärker: Quantencomputer werden nicht nur die Pharma- und die Finanzbranche revolutionieren. Schon in wenigen Jahren könnten sie etabliert sein.

          Mit Quantencomputern kann man neue Medikamente entwickeln, komplizierte Codes knacken und den Ursprung des Universums erforschen. Sie sind schneller, effizienter und leistungsstärker als normale Computer, denn sie basieren auf den mysteriösen Prinzipien der Quantenphysik. Sie sind aber nicht so leicht zu bauen. Was genau hat es mit diesen Wunderrechnern auf sich? Wir beantworten die wichtigsten Fragen.

          Wie funktioniert ein Quantencomputer?

          Ein Quantencomputer versteht und verarbeitet Informationen anders als ein normaler Computer. Dieser speichert Information in Form von Bits, die zwei mögliche Zustände annehmen können, entweder Eins oder Null. Je mehr Prozessoren ein Computer hat, desto schneller kann er Rechnungen anstellen und Bitfolgen auswerten.

          Ein Quantencomputer speichert Daten in Quantenbits ab, auch Qubits genannt. Diese befinden sich nicht nur in einem Zustand, also Null oder Eins, sondern in beiden zugleich – das nennt man Superposition. Erst wenn man sie misst, entscheiden sie sich für einen Zustand. Das bedeutet auch, dass ein Quantencomputer mit vier Qubits nicht nur vier, sondern vier mal vier verschiedene Zustände haben kann. Ein Quantencomputer mit 50 Qubits kann 2 hoch 50, also 1.125.899.906.842.624 verschiedene Zustände gleichzeitig annehmen! Das ist zwar schwer vorstellbar, bedeutet aber, dass er viel mehr Rechnungen vornehmen kann als ein klassischer Computer, da er alle möglichen Kombinationen gleichzeitig ausprobieren kann, anstatt sie nacheinander auszurechnen.

          Quantencomputer haben noch eine andere außergewöhnliche Eigenschaft: Qubits können auch über extrem große Distanzen innig miteinander verbunden sein – das nennt man Verschränkung. Man kann sich das so vorstellen wie zwei eineiige Zwillinge: Wird einer krank, fühlt sich der andere auch nicht gut. Ebenso ist es mit Qubits, verändert sich der eine, hat das Auswirkungen auf den verschränkten Partner. Dadurch kann man zum Beispiel über lange Entfernungen Schlüsselcodes verschicken, ohne dass jemand diese mitlesen kann – denn versucht eine dritte Person einen Qubit zu messen, würde sich der Zustand von beiden verändern. Diese Verschlüsselung ist zum Beispiel einem chinesischen und einem österreichischen Forscher gelungen.

          Wie baut man einen Quantencomputer?

          Es gibt verschiedene Ansätze, einen Quantencomputer zu bauen. Ein weitverbreitetes Verfahren besteht darin, Qubits in winzigen Metallschlaufen zu speichern, die fast auf den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt werden und von einem Magnetfeld umgeben sind. So werden die Schlaufen supraleitend – das heißt, elektrischer Strom kann ohne Widerstand durch sie fließen, und zwar in zwei Richtungen gleichzeitig. Der Zustand der Superposition wird dadurch erreicht. Steuern kann man die Qubits durch Mikrowellenimpulse. Einfach ist das aber nicht, denn: Quantenteilchen sind sehr empfindlich und verlieren bei der kleinsten Störung ihre Quanteneigenschaften – so können beim Rechnen sogenannte Quantenfehler passieren. Eine große Herausforderung beim Bauen von Quantencomputern ist also die Behebung dieser Fehler. Deswegen müssen die Qubits in großen Kühlapparaten so gut wie möglich von der Außenwelt abgeschirmt und stabilisiert werden.

          Gibt es schon einen Quantencomputer?

          Quantencomputer existieren bisher nur in sehr kleinem Maßstab mit wenigen Qubits. Das liegt daran, dass es so schwierig ist, Quantenzustände stabil zu halten. Je mehr Qubits man in einen Computerchip einbaut, desto häufiger können Fehler passieren. Den bisher leistungsfähigsten Quantencomputer hat das Computerunternehmen IBM gebaut mit 20 Qubits. Man kann ihn im Internet sogar kostenlos benutzen. Mit dem System kann man schon eine Menge berechnen – allerdings ist es noch kein sogenannter Universal-Quantencomputer, den man für alle möglichen Rechnungen programmieren könnte. Dafür sind nach Ansicht der Experten wohl mindestens 50 Qubits nötig. Im Moment sind Quantencomputer deshalb den existierenden „Supercomputern“ noch nicht überlegen – diese sind normale Computer mit enorm vielen Prozessoren.

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