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Quantencomputer : Wie der PC zur lahmen Ente wird

IBM Forscher Jerry Chow mit einem supraleitenden Quantenchip Bild: IBM/Feature Photo Service

Heute arbeiten Computer im binären Code. Künftig ticken sie im Takt der Quanten. IBM bringt den Rechner schon mal ans Netz, Europa zieht nach.

          5 Min.

          Der Computer der Zukunft ist nicht viel größer als ein Fingernagel und sieht aus wie ein gewöhnlicher Siliziumchip. Und doch vermag er Dinge, die selbst noch so leistungsfähigen Supercomputern wohl für immer versagt bleiben, schwärmt Jerry Chow vom Thomas J. Watson Research Center des Computerherstellers IBM in Yorktown Hights (New York). Die sichersten Codes lassen sich ohne größere Mühe rasch knacken; riesige Datenbanken sind in Windeseile durchforstet; und die komplexesten Optimierungsaufgaben werden mit Leichtigkeit gelöst. Denn der Quantencomputer, an dem Chow mit seinen Kollegen seit einigen Jahren arbeitet, erledigt Rechenoperationen nicht Schritt für Schritt wie ein PC, sondern auf einen Schlag.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Möglich wird das, weil die IBM-Maschine die Prinzipien der Quantenphysik nutzt. So können Quantenobjekte nicht nur zwei verschiedene Zustände gleichzeitig annehmen, sie bleiben trotz auch noch so großer Distanzen wie durch Magie immer miteinander verbunden. Zwei Phänomene, die man in der Alltagswelt nicht beobachtet und die nur schwer zu erklären sind. Der dänische Nobelpreisträger Niels Bohr hatte einst über die Quantenphysik gesagt, "wer zum ersten Mal davon hört und nicht empört ist ... der hat sie nicht richtig verstanden." Als Werner Heisenberg gefragt wurde, wie man sich das denn alles vorstellen solle, sagte er nur: "Versucht es gar nicht erst."

          Eins oder Zwei? Nein, beides zugleich!

          Und dennoch schaffen es die Physiker heutzutage mit Bravour, die fragilen Quantenzustände von Atomen zu kontrollieren und zu manipulieren. Dadurch haben sich völlig neue Möglichkeiten in der Informationsverarbeitung eröffnet. Schon in den achtziger Jahren überlegten Physiker wie Richard Feynman, wie man die Quantenphysik zum Rechnen nutzen könnte. Erste erfolgversprechende Ansätze wurden in den neunziger Jahren entwickelt. Sie ließen so ziemlich alles hinter sich, was die traditionelle Computertechnik betraf.

          Während jeder PC nach den Regeln der binären Algebra mit Bits rechnet, die nur die beiden Werte "0" oder "1" annehmen können, arbeitet ein Quantencomputer mit Quantenbits, kurz Qubits. Die Überlegenheit eines solchen Rechners beruht darauf, dass eine quantenphysikalische Informationseinheit außer den beiden binären Zuständen noch beliebig viele Zwischenzustände annehmen kann, und das simultan. Bei zwei Qubits sind die vier Zustände (0/0), (1/0), (0/1), (1/1) gleichzeitig möglich. Das eröffnet gegenüber herkömmlichen Computern völlig neue Welten.

          Blick in eine Vakuumapparatur: Im Inneren sitzt eine Ionenfalle, die 
geladene Berylliumionen in der Schwebe halten kann. Jedes Ion repräsentiert dabei ein Qubit.

          So wächst die Zahl der Kombinationen in einem Quantencomputer exponentiell mit der Anzahl der Qubits. Entsprechend steigt die Menge der gespeicherten Information. Dabei werden die Qubits ähnlich wie die Bits in einem klassischen Rechner durch logische Rechenschritte verarbeitet. Darüber hinaus sind aber auch Operationen möglich, die es bei klassischen Computern nicht gibt. Eine Besonderheit beim Rechnen mit Quantenbits ist nämlich, dass diese sich in Zuständen befinden können, die nicht eindeutig sind. Sie befinden sich wie eine Wolke am Himmel in einer Art Schwebezustand; sie sind sowohl aktiviert als auch nicht aktiviert; sie sind zugleich ein- und ausgeschaltet. Ist das der Fall, sprechen die Wissenschaftler von einem "unbestimmten Wert". Erst bei einer konkreten Messung wird dieser fein austarierte Schwebezustand zerstört. Das Rechenergebnis liegt am Ende in einzelnen Bits vor wie bei einem PC.

          Der Wettlauf hat begonnen

           Im 1994 hatte der Mathematiker Peter Shor gezeigt, dass ein Quantenrechner aufgrund der verblüffenden Eigenschaft der Quantenbits bestimmte numerische Probleme rascher lösen kann als jeder noch so schnelle klassische Computer. Noch sind die ersten Prototypen solcher Superrechner nur rudimentäre Vorstufen. Sie arbeiten bislang mit nur wenigen Qubits. Je mehr davon aber gebändigt werden können, desto größer wird die Rechenleistung sein. Den Rekord mit 14 Qubits hält bislang ein Quantencomputer an der Universität Innsbruck. IT-Konzernen wie HP oder IBM schweben schon Rechenmaschinen mit einigen hundert Qubits vor. Dafür investieren sie Millionen von Dollar.

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