Für viele gilt der Quantenrechner als das „nächste große Ding“ in der Computerwelt. Die Rechenmaschine soll, weil sie die Gesetzmäßigkeiten der Quantenphysik ausnutzt, große Datenbanken in Windeseile durchforsten, riesige Datenmengen extrem schnell verarbeiten können - und darin Muster erkennen, die für einen klassischen Computer nur schwer auszumachen sind. Zudem soll ein leistungsfähiger Quantencomputer jeden bisher als sicher geltenden Code knacken können, was Sicherheitsexperten schlaflose Nächte bereiten dürfte. Und das sind nur einige der an diese Technologie geknüpften Erwartungen.

War das Rechenwunder noch vor zehn Jahren nur von akademischem Interesse, basteln heute fast alle großen Computerhersteller und Internetfirmen an ihren eigenen Wunderkisten, allen voran IBM, Intel, Microsoft und Alphabet (Google). Nun haben Wissenschaftler, die schon länger für Google arbeiten stehen, auf dem Jahrestreffen der „American Physical Society„ in Los Angeles einen neuen Quantenprozessor in Aussicht gestellt, der alle bisher existierenden Quantenrechner in den Schatten stellen könnte. Google nennt  ihn Bristlecone.

Für Google sehr wichtig

John Martinis von der University of California in Santa Barbara und seine Kollegen beschreiben jetzt in einem eher zurückhaltenden Blogbeitrag, was sie sich von ihrer Errungenschaft versprechen: Bristlecone soll komplizierte Optimierungsprobleme lösen oder komplexe Simulationsrechnungen ausführen können, bei denen ein normaler Rechner schnell überfordert wäre. Auch erhoffen sich die Forscher neue Erkenntnisse auf dem Gebiet des maschinellen Lernens und damit in der Künstlichen Intelligenz insgesamt.

Google setzt sehr auf diese Technologie. Der Vorstandsvorsitzende Sundar Pichai hat die Devise „AI first“ („Künstliche Intelligenz zuerst“) ausgegeben und angeordnet, dass alle Produkte und Prozesse des Unternehmens dahingehend weiter entwickelt werden.

72 Quantenbits in greifbarer Nähe

Die Physiker um Martinis halten es für möglich, mit ihrem Bristlecone-Prozessor eine Rechenleistung von 72 Quantenbits - so nennt man die quantenmechanischen Pendants der klassischen Bits - erreichen zu können. Der bisherige Rekord liegt den Ankündigungen von Google und anderen Unternehmen aus der jüngeren Vergangenheit zufolge bei knapp 50 Qubits. Lange galten 20 Qubits als  Schwelle für einen funktionierenden Quantencomputer.

Das Besondere an den quantenmechanischen Informationseinheiten ist der Umstand, dass sie  nicht nur binäre „Nullen" und „Einsen" annehmen, sondern auch unendlich viele Zwischenzustände - und das simultan. Diese Fähigkeit macht den Quantencomputer so überlegen gegenüber seinem klassischen Gegenstück. Komplexe mathematische Aufgaben kann er schnell parallel lösen.

Als Träger der Qubits kommen neutrale oder geladene Atome und Elektronen in Frage. Auch Photonen, die Quanten des Lichts, und Stickstoffatome im Diamant wären eine Option. Als aussichtsreichste Kandidaten für die Speicherung von Quantenbits aber gelten elektrische Schaltkreise, die in supraleitenden Mikrochips integriert sind. Die Quantenprozessoren müssen zwar mit flüssigem Helium gekühlt werden. Sie haben aber den Vorteil, dass man sie mit den bekannten Verfahren der Halbleitertechnik fertigen und zwecks Leistungssteigerung beliebig miteinander verschalten kann. Diesen Weg haben die Physiker von IBM und in den Google-Forschungslaboren eingeschlagen.

Ein Quantencomputer mit 72 Quantenbits, wie er Martinis vorschwebt, wäre ein gewaltiger Schritt vorwärts: Nach einhelliger Meinung würde er klar die Rechenleistung  überschreiten, welche die schnellsten existierenden Supercomputer, die mit klassischen Bits und Bytes arbeiten, derzeit erbringen können. Für Martinis würde ein solcher Quantenrechner womöglich sogar alle klassischen Systeme grundsätzlich ausstechen.

Achtung vor den Fehlerteufel

Allerdings müssen die Forscher um Martinis sicherstellen, dass trotz aller Vorsichtsmaßnahmen etwa durch Restwärme oder unerwünschte elektrische Streufelder keine schwerwiegenden Fehler in den Berechnungen auftreten. Diese Fehler werden von supraleitenden Quantenbits verursacht, die ihre Zustände plötzlich und in unkontrollierter Weise ändern. Allerdings greifen bei einem Quantencomputer aufgrund prinzipieller Hürden keine klassischen Fehlerkorrekturverfahren, denn: Quantenmechanische Daten können grundsätzlich nicht kopiert werden, ohne die Originaldaten unwiederbringlich zu zerstören. Deshalb ist es auch nicht möglich, Zwischenergebnisse zu speichern und diese zur Fehlerkorrektur zu verwenden.

Durch eine trickreiche Korrekturmaßnahme wollen die Google-Forscher die Defekte beheben und die Fehlerrate möglichst unter 0,5 Prozent drücken. Bei einem Quantenprozessor aus neun Quantenbits hat das bereits funktioniert.