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Durchbruch von Google : Was bedeutet die Überlegenheit des Quantencomputers?

  • -Aktualisiert am

Quantencomputer als Code-Knacker

Einer dieser Algorithmen erregte besonders viel Aufsehen: Peter Shor entwickelte 1994 eine Befehlsabfolge, die das Problem der Primfaktorzerlegung löst. Jede natürliche Zahl kann als Produkt von Primzahlen eindeutig dargestellt werden. Welche das sind, ist aber bisher nur durch schieres Ausprobieren herauszufinden – ein Umstand, der in der Kryptographie Anwendung findet, da selbst Supercomputer viel Zeit benötigen, um eine Zahl in ihre Primfaktoren zu zerlegen. Shor gelang es zu zeigen, dass ein Quantencomputer dieses Problem, das klassische Computer nur in einer exponentiell  mit der Größe der zu faktorisierenden Zahl wachsenden Zeit lösen können, effizient berechnen könnte – und damit einen großen Teil unserer verschlüsselten Daten effektiv knackten würde. So liegt das Prinzip etwa der RSA-Kryptographie zugrunde, einem der wichtigsten Public-Key-Verschlüsselungssysteme. Shors Algorithmus ist deshalb so wichtig, weil er ein gesellschaftlich relevantes Thema behandelt. Er rückte den Quantencomputer erstmals aus dem Bereich der reinen Grundlagenforschung in das allgemeine Bewusstsein und weckte kommerzielle Interessen.

Google-Chef Sundar Pichai mit dem Quantencomputer „Sycamore“
Google-Chef Sundar Pichai mit dem Quantencomputer „Sycamore“ : Bild: AFP

Dass unsere Daten über zwanzig Jahre später noch immer verschlüsselt sind, liegt an der hochkomplexen technischen Umsetzung. Das Prinzip eines Quantencomputers basierend auf elektrischen Schaltkreisen ist zunächst so einfach wie klassisch: durch die Leitungen fließt Information, die in logischen Gattern manipuliert wird. Quantenmechanisch wird es erst bei der Ausführung dieses Prinzips. Die Träger der Information, die Qubits, sind Quantensysteme und folgen den Regeln, die laut Feynman niemand wirklich verstehen kann. Während klassische Bits nur entweder im Zustand „0“ oder „1“ sein können, muss sich ein Qubit nicht entscheiden – es schwebt in einer Überlagerung beider Zustände, genannt Superposition. Diese Eigenschaft ist äußerst labil und schwer zu kontrollieren. Sobald die Qubits mit der Umwelt wechselwirken, verlieren sie ihre gespeicherte Information. Möglichst viele Qubits so lang von diesen Dekohärenzeffekten abzuschirmen, dass ein Algorithmus vollständig durchlaufen kann, ist eine der größten technischen Herausforderungen – die Tech-Giganten kämpfen erbittert darum, die Zahl der stabilen und kontrollierbaren Qubits zu erhöhen.

Besonderheiten der Quantentheorie

Was aber an den Quantencomputern verheißt diese Überlegenheit, die alle zu erreichen versuchen? Um eine Antwort zu finden, muss man tief in die rätselhafte Welt der Quantenmechanik eintauchen. Denn viele gehen davon aus, dass die Superposition der Qubits der Schlüssel ist: Dadurch, dass sie nicht wie klassische Bits einen bestimmten Zustand annehmen, sondern in der Überlagerung schweben, können sie demnach mehrere Rechenschritte gleichzeitig lösen. Doch neben der Superposition tragen Qubits noch eine andere quantenmechanische Eigenschaft: sobald sie gemessen werden, man sozusagen die Lösung eines Problems betrachten will, nehmen sie einen klassischen Zustand ein. Um nun die Lösung zu erhalten, muss man das Glück haben, dass die Qubits in den richtigen Zustand fallen und nicht in einen der vielen Rechenwege, die sich als Sackgassen erwiesen haben. Es lässt sich sogar beweisen, dass ein Qubit genau so viel erreichbare Information trägt wie ein klassischer Bit. Nur in der Superposition, die sich nicht messen lässt, liegen weitere versteckte Informationen.

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