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Vernetzte Quantenrechner : Auf dem Weg zum Quanteninternet

Mit solchen Glasfaserkabeln könnten auch bald Quantencomputer miteinander vernetzt werden. Bild: ÖAW/IQOQI/Kotyrba.

Ein funktionierender Quantencomputer, das ist schon was, aber die Physiker wollen mehr. Sie wollen ihre Rechner vernetzen und so ein abhörsicheres Quanteninternet schaffen.

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          Lange Zeit war es nur eine Idee in den Köpfen visionärer Physiker, nun nimmt es Form an: Der Quantencomputer scheint in der Wirklichkeit angekommen zu sein. Vor einer Woche wurde in der Zeitschrift „Nature“ bekanntgegeben, dass im Forschungslabor von Google im kalifornischen Santa Barbara ein Quantencomputer steht, der erstmals ein spezielles mathematisches Problem deutlich schneller lösen konnte als der derzeit leistungsfähigste klassische Rechner, der Supercomputer „Summit“ von IBM.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Der supraleitende 53-Quantenbit-Prozessor „Sycamore“ wird von vielen als Meilenstein des Quantencomputing gehandelt, da mit ihm die Quantenüberlegenheit – der Lackmustest für jeden Quantenrechner – unter Beweis gestellt worden sei. „Sycamore“ lieferte das Ergebnis in nur 200 Sekunden. Wie viel länger die derzeitige Nummer eins unter den Supercomputern für die Aufgabe gebraucht hätte – zehntausend Jahre, wie von Google behauptet, oder zweieinhalb Tage, wie IBM nun entgegnet – darüber gehen die Meinungen noch auseinander.

          Auch bezweifeln viele Fachleute, ob Googles Quantenrechner tatsächlich mehr kann, außer ein auf ihn speziell zugeschnittenes Problem zu lösen, das nach Einschätzung von Experten wie dem Quantenphysiker Rainer Blatt sehr artifiziell ist und „keine, wie auch immer gearteten Anwendungen hat“. Blatt spricht zwar ebenfalls von einem Meilenstein, gibt sich angesichts des Werberummels und der kommerziellen Interessen aber zurückhaltend in der Bewertung. Bis es einen echten Quantencomputer gebe, der den Namen auch verdiene, werde es seiner Meinung nach noch einige Jahren dauern. Denn ein solches System muss äußerst fehlertolerant und wie jeder PC universell programmierbar sein – und sollte deshalb anders als Googles-Quantenrechner imstande sein, jedes noch so komplizierte Problem zu berechnen.

          Quantenberechnungen durch Arbeitsteilung

          Rainer Blatt, der das europäische Quanten-Flaggschiff-Projekt vor zwei Jahren mit auf den Weg gebracht hat, rechnet damit, dass es in wenigen Jahren einen oder mehrere europäische Quantencomputer geben wird. Einer davon soll in Innsbruck stehen und mit gespeicherten Ionen arbeiten. Zu diesem Zweck wollen die Forscher ihren bestehenden Quantenrechner aufrüsten. Dann sollen 50 statt wie bisher 20 geladene Kalziumatome in einem zylindrischen Ionenkäfig schweben. Jedes Teilchen repräsentiert ein Qubit, wie man die quantenmechanischen Pedants der klassischen Bits nennt, und wird, so das Ziel, mit Laserlicht perfekt kontrolliert und manipuliert.

          Blick ins Herz eines potentiellen Quantenprozessors: In der Mitte ist der wellenförmige Datenbus zu erkennen, der die vier winzigen supraleitenden Leiterschleifen - die Quantenbits -  verbindet. Jeder Leiterschleife ist mit einem  gewundenen Datenspeicher kontaktiert.
          Blick ins Herz eines potentiellen Quantenprozessors: In der Mitte ist der wellenförmige Datenbus zu erkennen, der die vier winzigen supraleitenden Leiterschleifen - die Quantenbits - verbindet. Jeder Leiterschleife ist mit einem gewundenen Datenspeicher kontaktiert. : Bild: James Darling, University of California/Santa Barbara

          Dass man zur Simulation hochkomplexer quantenphysikalischer Fragestellungen nicht unbedingt einen großen Quantencomputer benötigt, konnten die Forscher um Blatt kürzlich an einem Problem aus der Teilchenphysik demonstrieren. Die Lösung war Arbeitsteilung: Man ließ einen klassischen Computer all das berechnen, wozu er aufgrund seiner Architektur in der Lage war, während die echten quantenphysikalischen Berechnungen das 20-Qubit-System übernahm.

          Während nun also Computerhersteller wie Google oder IBM ihre Prototypen aufrüsten, um sich so Marktvorteile vor der Konkurrenz zu sichern, brüten viele Forscher bereits darüber, wie man Quantenrechner – ähnlich wie herkömmliche Computer – zu größeren Recheneinheiten vernetzen könnte. Über ein solches Netzwerk würden nicht mehr klassische digitale Daten übermittelt werden, sondern echte Quanteninformationen, die etwa in den Zuständen von Photonen oder Atomen kodiert sind. Ein solches Quanteninternet könnte Anwendungen ermöglichen, die mit gängigen Technologien nicht zu verwirklichen sind, beispielsweise die abhörsichere Übertragung vertraulicher Daten.

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