Fokus – Zeitalter der Superhirne

Quantencomputer

Auf dem Weg zum nächsten großen Durchbruch in der IT.

Es ist ein silbern glänzender Zylinder, in dem sich der Schatz befindet: Qubits, von einer Heliumpumpe auf minus 273 Grad Celsius gekühlt. Mit diesen Bausteinen arbeiten Quantencomputer. Denn Qubits können – anders als die Bits eines klassischen Computers – zwei Zustände gleichzeitig speichern und verarbeiten.

Diese neue Rechenlogik soll sie deutlich schneller machen als jeden Supercomputer und ihre Suche nach neuen Produkten, Anwendungen oder Mustern effizienter. Der Nachteil: Qubits sind äußerst flüchtig. Stabil und fehlerfrei arbeiten sie nur ohne äußere Einflüsse. Dazu muss man sie nicht nur kühlen, sondern auch noch per Vakuum von der Außenwelt abschirmen.

Fragile Superhirne

Das Problem ist erst ansatzweise geknackt. Bis heute haben Forscher voll programmierbare 5-Qubit-Computer und etwas fragilere 10- bis 20-Qubit-Testsysteme entwickelt. So stellte beispielsweise IBM im Mai 2017 einen Prozessor vor, der aus 17 Qubits besteht – und die Basis für den ersten kommerziell verfügbaren Quantenrechner bilden soll.

Prozessoren bilden mit ihren fragilen Qubits das Herz der Quantencomputer. Momentan werden maximal 17 Qubits erreicht. Doch erst bei 30 bis 50 Qubits ist der Quantencomputer den bisherigen Superrechnern wirklich überlegen.

Quantenrechner stehen heute in etwa da, wo klassische Computer in den 1940er-Jahren waren.“

Anthony Annunziata, PhD

IBM-Forscher, USA

„Wir machen immer schnellere Fortschritte“, sagt der IBM-Forscher Anthony Annunziata, PhD, aus den USA. Mittlerweile laufe das IBM-System stabil genug, um Rechenoperationen über einen längeren Zeitraum hinweg durchzuführen. Aber noch, warnt Annunziata, befinde sich die Technologie in einer sehr frühen Phase. „Quantenrechner stehen heute in etwa da, wo klassische Computer in den 1940er-Jahren waren. Aber sie entwickeln sich wesentlich schneller weiter.“

Erst ab 30 bis 50 Qubits wäre ein Quantenrechner bei der Lösung eines speziellen Problems jedem konventionellen Superrechner überlegen, glauben Experten wie Professor Raymond Laflamme, Direktor des Institute for Quantum Computing an der kanadischen University of Waterloo. „Aber wenn man den Trend der letzten 15 Jahre fortschreibt, sind 100 Qubits in den nächsten zehn Jahren vorstellbar“, sagt der Quantencomputer-Pionier. Und schon in vier bis fünf Jahren dürfte der grundsätzliche Durchbruch der Quantencomputer gelingen, prognostiziert das Massachusetts Institute of Technology/USA. Ob IBM, Google, Microsoft oder Intel: Keiner der Tech-Größen scheut den hohen Aufwand, den die Entwicklung eines leistungsfähigen Quantencomputers mit sich bringt – ganz zu schweigen von Geheimdiensten wie der US-amerikanischen NSA, die „unter dem Radar“ an leistungsfähigen Quantensystemen arbeiten dürften, um verschlüsselte Kommunikation zu knacken.

Solche Prozessoren sollen Quantencomputer zu den leistungsfähigsten Rechnern machen.

1Milliarde
So viel will die EU-Kommission in den nächsten neun Jahren investieren, um den Fortschritt in der Quantentechnologie voranzutreiben.

Quantencomputer als Impulsgeber

Denn das „Mooresche Gesetz“, nach dem sich die Leistungsfähigkeit von Computerchips alle ein bis zwei Jahre verdoppelt, stößt mittlerweile technologisch an seine Grenzen. Ein Durchbruch beim Quantencomputer, so Experten, könnte neue Impulse geben. Sechs bis sieben Teams weltweit forschen Laflammes Einschätzung nach derzeit daran, dieses Ziel zu erreichen, und es fließen dafür Milliardenbeträge. Um den Fortschritt in der Quantentechnologie voranzutreiben, will beispielsweise die EU-Kommission in den nächsten neun Jahren 1 Milliarde € investieren. Und im August 2017 machte China mit der Nachricht Schlagzeilen, erstmals habe ein Satellit mit einer Bodenstation einen Quantenschlüssel ausgetauscht – ein Meilenstein auf dem Weg zu einer quasi unknackbaren Verschlüsselung via Quantentechnologie. „Das heißt aber nicht, dass Quantenrechner konventionelle Supercomputer in absehbarer Zukunft auf breiter Front überholen oder gar ersetzen. Sie werden sie bei der Lösung spezieller Probleme ergänzen“, betont Annunziata. Besonders prädestiniert ihn seine Funktionsweise dafür, Abläufe auf molekularer Ebene darzustellen. Und damit beispielsweise zu zeigen, wie ein Elektron mit dem anderen und mit dem Kern interagiert. „Wird die Zahl der elektronischen Zustände erhöht, wachsen die möglichen Interaktionen exponentiell. Da dies für konventionelle Computer nicht exakt darstellbar ist, versuchen sie sich in Annäherungen.“ Ein Quantencomputer dagegen operiert nach den Prinzipien der Quantenmechanik – denselben Mechanismen, die auch bei molekularen Interaktionen wirken.

Was Quantencomputer einzigartig macht

So funktioniert es: Durch spezielle Bausteine (Qubits) können Quantenrechner Daten sehr schnell gleichzeitig verarbeiten.

Das ist ein Qubit

Ein Qubit ist eine quantenmechanische Informationseinheit.Während ein Bit klassischer Computer nur einen der beiden Zustände„ 0“ oder„ 1“ darstellen kann, kann ein Qubit beide Werte– oder unendlich viele Zwischenzustände– gleichzeitig annehmen.Gelänge es, Hunderte dieser Bausteine in einem Quantencomputer zu bündeln, so könnte dieser in einem Moment mehr Werte speichern und verarbeiten, als das Universum Elementarteilchen besitzt.

Das Besondere daran

Ein Quantencomputer könnte hochkomplexe Modelle berechnen, an denen herkömmliche Systeme bislang scheitern.

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Nutzen für die Forschung

Von der höheren Genauigkeit der Modellierung, so Laflamme, könnten etliche Bereiche profitieren – wie Materialwissenschaften, Chemie- oder Pharmaindustrie. Den Nachteil der Quantenpartikel – ihre Empfindlichkeit – könnten die Forscher dabei zu ihrem Vorteil nutzen, etwa zur Erkundung von Bodenschätzen oder zur Diagnose von Krankheiten. So werden Qubits bereits als supersensible Sensoren eingesetzt, die einzelne Atome von fehlerhaften Proteinen, die möglicherweise zu Krebs ausarten, präzise wahrnehmen. Dafür stellen sie sich sehr genau auf die Schwingungen eines speziellen Atoms ein.

Doch derzeit geht es vor allem darum, die Zahl derer zu erhöhen, die Quantencomputer verstehen und nutzen wollen, betont Annunziata. So hat IBM vor gut einem Jahr seinen Quantencomputer öffentlich zugänglich gemacht. 50.000 Nutzer haben seitdem auf die Plattform Quantum Experience zugegriffen. Durch den Open-Source-Ansatz könne man von und mit der Gemeinschaft lernen, sagt Annunziata. Jüngst hat die Google-Mutter Alphabet Medienberichten zufolge mit ihrem Quantenrechner nachgezogen und will ihn für Wissenschaftler und Entwickler öffnen. So könnte eine Art Ökosystem entstehen, in dem die Disziplin „Quantencomputing“ gedeihen kann.

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