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Im „Quanten-Goldrausch“? : Das Informationszeitalter am Absprung

Künstlerische Darstellung eines Quantencomputers. Die Atome - Träger der Quantenbits - sind aufgereiht wie die Perlen einer Kette. Die von oben kommenden Laserstrahlen verändern die Zustände der Teilchen. Bild: E. Edwards/JQI

Ein Quantensprung in die Zukunft oder steht die Revolution schon vor der Tür? Die jüngsten Erfolge bei der Entwicklung von Quantencomputern lassen hoffen.

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          Haben wir jüngst einen historischen Wendepunkt erlebt, konkret: den nunmehr unstrittigen Beginn der Ära der Quantentechnologie? Vergleichbar mit dem Flug der Brüder Wright 1903, als sich die Menschheit erstmals motorisiert den Luftraum erschloss? Die Frage stellt sich angesichts des ersten Nachweises der deutlichen Überlegenheit eines Quantencomputers in einer konkreten Berechnung gegenüber dem besten klassischen Supercomputer der Welt.

          Der Rechner der Forscher des Google-Konzerns hatte mit 53 sogenannten Qubits, der Quantenversion der klassischen Bits, binnen 200 Sekunden eine quantenstatistische Berechnung angestellt, die, für sich genommen, zwar weitestgehend nutzlos ist, aber kompliziert genug, dass ihre Reproduktion im klassischen Computer angeblich 10.000 Jahre in Anspruch nähme – eine Diskrepanz, die deutlich genug sein sollte, um die Dominanz der Quantenrechner gegenüber ihren klassischen Vorgängern zu demonstrieren. Google-Konkurrent IBM widersprach der Behauptung zwar prompt: Die klassische Rechnung würde mit optimierter Software nur wenige Tage dauern. Dennoch scheint eine besondere Schwelle erreicht zu sein. Denn jede weitere Verbesserung der Quantencomputer wird ungleich größere Anstrengungen auf klassischer Seite erfordern, um im Wettstreit weiter mithalten zu können. Eine neue Ära also?

          Fachleute bemühen sich, die Begeisterung nicht in falsche Vorstellungen münden zu lassen: Viel Arbeit sei noch nötig, bis die Quantencomputer in der praktischen Realität ankämen. Der Investitionsfreude von Regierungen, Technologie-Unternehmen und privaten Investoren tut dies aber keinen Abbruch. Von einem „Quanten-Goldrausch“ ist zu lesen, die großen internationalen Akteure sind mit stattlichen Milliardensummen dabei. Auch Europa investiert eine Milliarde Euro in sein Quanten-Flaggschiff-Projekt. Was aber macht die Quantentechnologie und insbesondere den Quantencomputer so verheißungsvoll?

          Quanten-Algorithmen sind nicht trivial

          Vor allem ist es die Aussicht auf eine „exponentielle Beschleunigung“ der Rechenleistung, die aus einer geschickten Nutzbarmachung quantentheoretischer Eigenschaften resultiert: der Überlagerung mehrerer Zustände (Superposition), ihrer Verschränkung und ihrer wellenartigen Wechselwirkung.

          Die Entwicklung von speziellen Quanten-Algorithmen ist dabei keine triviale Aufgabe. Es gibt aber Beispiele, die zeigen, an welchen Stellen Quantencomputer besondere praktische Relevanz besitzen können, insbesondere Peter Shors Algorithmus zur Primfaktorenzerlegung oder Lov Grovers Suchalgorithmus. Beide lösen Probleme, für die kein ähnlich erfolgreiches klassisches Verfahren bekannt ist. Wenn aber mühelos Zahlen in ihre Primfaktoren zerlegt werden können, torpediert das die Sicherheit verbreiteter Verschlüsselungsverfahren, die gerade auf der Schwierigkeit dieser Aufgabe beruhen. Die Fähigkeit, effizient ungeordnete Datenbanken zu durchsuchen, ist andererseits für viele Anwendungen nützlich.

          Die Realisierung eines Quantencomputers, der solche Algorithmen praxisrelevant und flexibel implementieren kann, eines universellen Rechners also, der nicht nur ausgesuchte Spezialprobleme wie das nun von Google gelöste meistert, liegt aber noch in weiter Ferne. Der Grund: Quantensysteme sind extrem störungsanfällig. Die relevanten Quanteneigenschaften zerfallen innerhalb kürzester Zeiträume, wenn die Systeme mit ihrer Umwelt wechselwirken, ein Phänomen, das als „Dekohärenz“ bezeichnet wird. Verlängert werden können die Rechenintervalle, wenn entstehende Fehler korrigiert werden. Doch diese Korrektur ist aufwendig, da Quantenzustände nicht, wie im klassischen Computer, einfach kopiert werden können. Stattdessen erfordert Fehlerkorrektur eine drastische Vervielfachung der Zahl von Qubits. Größere Systeme sind aber viel schwerer zu kontrollieren. Rechner mit Millionen Qubits, die für einen fehlerkorrigierenden universellen Quantenrechner nötig wären, sind derzeit nicht absehbar.

          Debatte um konventionelle Supercomputer

          Forscher diskutieren daher, ob der Wettstreit um immer größere Quantenrechner nicht der falsche Weg ist und man sich stattdessen stärker auf die Optimierung der existierenden fehlerbehafteten Rechner mit relativ wenigen Qubits konzentrieren sollte. Denn auch hier könne es bereits interessante Anwendungen für maschinelles Lernen, Materialwissenschaften und Kryptographie geben.

          Näher am Markt bewegt man sich außerdem bereits jetzt in anderen Bereichen der Quantentechnologie: beim Einsatz der Quantenkryptographie für Banken und Regierungen oder bei der sicheren Quantenkommunikation, wie sie etwa in Europa und China für ein „Quanten-Internet“ entwickelt wird. Verhindert werden soll auf jeden Fall der Einbruch eines „Quanten-Winters“, einer Phase gebremster Investitionen aufgrund enttäuschter Erwartungen, wie sie bereits im Feld der Künstlichen Intelligenz mehrfach zu beobachten war. Denn bis der Quantencomputer Teil unseres Alltags wird, wird es noch dauern, darüber sollten wir uns keine Illusionen machen.

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