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Wann kommt der Quantenrechner? : Verliert Europa den Anschluss an die Weltspitze?

  • Aktualisiert am

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

Der Quantencomputer gilt als nächstes großes Ding der IT. Doch bis zum marktfähigen Produkt sind noch viele Hürden zu überwinden. Über den Stand des Rechenwunders berichtet der Physiker Rainer Blatt im Gespräch.

          Herr Blatt, bei den amerikanischen IT-Firmen ist ein Wettlauf um den größten Quantencomputer entbrannt. Google hat angekündigt, einen Quantenrechner mit 79 Quantenbits zu entwickeln. In diesem Jahr noch will man die Überlegenheit gegenüber einem klassischen Computer unter Beweis stellen. Hat Google die Führung übernommen?

          Die Größe eines Quantencomputers wird hier nur an der Zahl der Quantenbits gemessen. Das ist aber ein relativ uninteressantes Maß. Viel wichtiger ist die Frage, was man mit dem Quantencomputer überhaupt anfangen kann. Lassen sich tatsächlich alle Qubits perfekt kontrollieren? Wie viele und welche logischen Operationen kann man ausführen? Was kann man berechnen, was simulieren? Gibt es eine vernünftige Fehlerkorrektur? Bisher habe ich noch nichts gesehen, was mich wirklich überrascht.

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          Rainer Blatt von der Universität Innsbruck

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          Der verkabelte fünf Bit Quantenprozessor von IBM, bevor er in ein Kältebad aus  flüssigem Helium getaucht wird.

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          Dieser Quantensimulator/Quantencomputer von Google besteht aus neun supraleitenden Leiterschleifen, die in der Mitte des Chips sitzen. Die darin zirkulierenden Ströme werden von Mikrowellenfeldern angeregt.

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

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          Illustration eines Quantencomputers aus acht gespeicherten  Ionen (rot).

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          Die Rechenmaschine, die alles in den Schatten stellen soll

          Riesige Datenbanken in der Zeit eines Wimpernschlags durchforsten, angeblich sichere Codes knacken, komplexe Quantensysteme modellieren oder umfangreiche Optimierungsaufgaben lösen – was selbst einen Supercomputer schnell an seine Leistungsgrenze bringt, wäre für einen Quantenrechner ein Kinderspiel. Denn letzterer funktioniert nach einem ganz anderen Prinzip als ein klassischer PC. Während herkömmliche Computer mit Bits rechnen, die nur die binären Werte „0“ oder „1“ annehmen können, verarbeitet ein Quantencomputer sogenannte Quantenbits, kurz „Qubits“. Die quantenmechanischen Informationseinheiten können nicht nur die binären Zustände annehmen, sondern auch unendlich viele Zwischenzustände. Und das gleichzeitig. Diese Fähigkeit macht den Quantencomputer gegenüber seinem klassischen Gegenstück so überlegen: Komplexe mathematische Aufgaben kann er schnell parallel lösen. Die Möglichkeiten, die in einem Quantencomputer stecken, haben auch längst die großen IT-Firmen in den Vereinigten Staaten und Asien erkannt. Sie haben Millionen von Dollar in die Entwicklung von Quantensystemen gesteckt und Wissenschaftler von namhaften Universitäten angeworben. Viele der Prototypen arbeiten bereits mit 50 Quantenbits, und es sollen noch mehr werden. Als Träger von Quantenbits nutzen IBM, Microsoft und Google elektrische Schaltkreise, die in supraleitenden Mikrochips integriert sind. Die darin umlaufenden Ströme stellen – je nach Umlaufrichtung – zwei unterschiedliche Energiezustände dar. Mit Mikrowellenpulsen lassen sich die Zustände überlagern und manipulieren. Bewährt haben sich auch geladene Atome, die man mit elektrischen und magnetischen Feldern in der Schwebe hält. Durch das Einstrahlen von Laserlicht lassen sich die Ionen in die Zustände 0, 1 oder Überlagerungen davon versetzen. Allerdings darf die Superposition der Zustände während des Rechenprozesses nicht zerstört werden. Jede Einwirkung von außen, die auf ein Quantenbit wie eine Messung wirkt, führt zum Kollaps der Überlagerung. Dadurch kann es zu unerwünschten Rechenfehlern kommen. Leistungsfähige Systeme besitzen deshalb ein effizientes Fehlerkorrektursystem.