Quantencomputing für Neugierige

Was ist Quantencomputing? Normale Computer arbeiten nach strengen Regeln der Logik. Aber winzige Quantenobjekte – wie Elektronen oder Photonen des Lichts – können diese Regeln brechen

Quantum Computing ist die Idee, dass wir diesen Quantenregelbruch nutzen können, um Informationen auf eine neue Art und Weise zu verarbeiten – eine, die sich völlig von der Arbeitsweise normaler Computer unterscheidet. Dadurch sind sie in einigen Fällen exponentiell schneller als jeder normale Computer.

Ein Quantencomputer könnte zum Beispiel problemlos die Codes knacken, die das Internet-Banking sichern.

Wie ein Supercomputer?

Nicht ganz. Ein Quantencomputer ist nicht einfach nur ein „schneller“ Computer. Es gibt ein paar spezielle Aufgaben – wie z. B. das Factoring sehr großer Zahlen -, die ein Quantencomputer erstaunlich gut beherrschen würde. (Hier kommt das Entschlüsseln von Codes ins Spiel – siehe unten.) Aber für die meisten Aufgaben wäre ein Quantencomputer kaum besser als ein normaler Computer.

Wofür könnte ein Quantencomputer also eingesetzt werden?

Am nützlichsten sind sie wahrscheinlich für Regierungsbehörden, Forschungs- und Entwicklungsunternehmen und Universitäten, um Probleme zu lösen, mit denen heutige Computer Schwierigkeiten haben.

Die erste praktische Idee, die der Physiker Richard Feynman 1981 vorschlug, war, einen Quantencomputer zur Simulation der Quantenmechanik einzusetzen. Dies hätte Auswirkungen auf die Chemie und die Biologie. Chemiker könnten zum Beispiel die Wechselwirkungen von Arzneimitteln genau modellieren, und Biologen könnten alle Möglichkeiten untersuchen, wie sich Proteine falten und miteinander interagieren können.

Während Quantencomputer zunächst eine akademische Kuriosität waren, explodierte das Interesse 1994, als der amerikanische Mathematiker Peter Shor einen Weg fand, Quantencomputer zum Knacken von Codes zu verwenden.

Heute beruhen viele Online-Sicherheitssysteme auf dem Prinzip, dass es nahezu unmöglich ist, eine sehr große Zahl zu nehmen und herauszufinden, was ihre Primfaktoren sind. Ein normaler Computer kann nur alle Möglichkeiten nacheinander ausprobieren – eine Aufgabe, die Milliarden von Jahren dauern könnte. Mit Shors Algorithmus könnte ein Quantencomputer diese Aufgabe in wenigen Stunden erledigen.

Quantencomputer könnten auch fantastisch darin sein, Muster in Daten zu erkennen – nützlich für Probleme des maschinellen Lernens, z. B. um verschiedene Objekte in einem Bild zu identifizieren. Sie könnten sich hervorragend für die Erstellung von Modellen zur Vorhersage der Zukunft eignen, z. B. für die langfristige Wettervorhersage.

Aber letztlich sind die Einsatzmöglichkeiten von Quantencomputern unvorhersehbar. Bedenken Sie, dass Thomas Watson, der Präsident von IBM, 1943 sagte: „Ich glaube, es gibt einen Weltmarkt für vielleicht fünf Computer.“ Heute gibt es fünf in jedem Haushalt.

Wenn die Vergangenheit ein Anhaltspunkt ist, müssen wir uns erst noch ausmalen, wozu Quantencomputer gut sein werden.

Wie funktioniert Quantencomputing?

Gängige Computer basieren auf „Bits“ – stellen Sie sich diese als kleine Schalter vor, die entweder auf eine 1 oder eine 0 zeigen.

Quantencomputer basieren auf Quantenbits oder „Qubits“, die ebenfalls eine 0 oder eine 1 darstellen können. Das Verrückte daran ist, dass Qubits auch einen gemischten Zustand erreichen können, eine so genannte „Superposition“, in der sie gleichzeitig 1 und 0 sind. Diese Mehrdeutigkeit – die Fähigkeit, sowohl „zu sein“ als auch „nicht zu sein“ – ist der Schlüssel zur Leistungsfähigkeit des Quantencomputers.

Wie hilft die Superposition?

Der Unterschied zwischen normalen Computern und Quantencomputern besteht darin, wie sie an ein Problem herangehen.

Ein normaler Computer versucht, ein Problem auf die gleiche Weise zu lösen, wie man aus einem Labyrinth entkommen könnte – indem man jeden möglichen Korridor ausprobiert und bei Sackgassen umkehrt, bis man schließlich den Ausweg findet. Mit Hilfe der Superposition kann der Quantencomputer jedoch alle Wege auf einmal ausprobieren und so eine Abkürzung finden.

Zwei Bits in Ihrem Computer können sich in vier möglichen Zuständen befinden (00, 01, 10 oder 11), aber immer nur in einem von ihnen. Dadurch ist der Computer darauf beschränkt, jeweils nur eine Eingabe zu verarbeiten (wie beim Durchlaufen eines Ganges im Labyrinth).

In einem Quantencomputer können zwei Qubits auch genau dieselben vier Zustände repräsentieren (00, 01, 10 oder 11). Der Unterschied ist, dass die Qubits aufgrund der Überlagerung alle vier Zustände gleichzeitig darstellen können. Das ist ein bisschen so, als hätte man vier normale Computer nebeneinander laufen.

Wenn man einem normalen Computer mehr Bits hinzufügt, kann er immer noch nur einen Zustand auf einmal verarbeiten. Wenn man jedoch Qubits hinzufügt, wächst die Leistung des Quantencomputers exponentiell. Für die mathematisch Interessierten: Wenn man „n“ Qubits hat, kann man 2n Zustände gleichzeitig darstellen.)

Es ist wie die alte Fabel über einen alten Inder namens Sessa, der das Schachspiel erfand. Der König war von dem Spiel begeistert und bat Sessa, seine Belohnung zu nennen. Sessa bat demütig um ein einziges Schachbrett mit einem Weizenkorn auf dem ersten Feld, zwei auf dem zweiten, vier auf dem dritten und so weiter. Der König stimmte sofort zu, ohne zu bemerken, dass er mehr Weizen versprochen hatte, als es auf der Erde gab. Das ist die Macht des exponentiellen Wachstums.

Genauso wie jedes Quadrat den Weizen von Sessa verdoppelte, verdoppelt jedes zusätzliche Qubit die Rechenleistung. Drei Qubits ergeben 23, also acht Zustände gleichzeitig; vier Qubits ergeben 24, also 16. Und 64 Qubits? Sie ergeben 264, das sind 18.446.744.073.709.600.000 Möglichkeiten! Das entspricht etwa einer Million Terabyte.

Während 64 reguläre Bits auch diese riesige Anzahl (264) von Zuständen darstellen können, können sie immer nur einen einzigen repräsentieren. Um all diese Kombinationen mit zwei Milliarden pro Sekunde (eine typische Geschwindigkeit für einen modernen PC) zu durchlaufen, würde man etwa 400 Jahre brauchen.

All dies bedeutet, dass Quantencomputer Probleme lösen könnten, die für klassische Computer „praktisch unmöglich“ sind.

Um diese exponentielle Beschleunigung zu erreichen, muss das Schicksal aller Qubits in einem Prozess verknüpft werden, der Quantenverschränkung genannt wird. Dieses seltsame Phänomen, das Einstein „spukhafte Fernwirkung“ nannte, kann Quantenteilchen miteinander verbinden, selbst wenn sie sich an entgegengesetzten Enden des Universums befinden.

Was macht ein Qubit aus?

Um ein Qubit herzustellen, braucht man ein Objekt, das einen Zustand der Quantenüberlagerung zwischen zwei Zuständen erreichen kann.

Ein Atomkern ist eine Art Qubit. Die Richtung seines magnetischen Moments (sein „Spin“) kann in verschiedene Richtungen zeigen, z. B. nach oben oder nach unten in Bezug auf ein Magnetfeld.

Die Herausforderung besteht darin, dieses einzelne Atom zu platzieren und dann zu adressieren.

Ein australisches Team unter der Leitung von Michelle Simmons von der University of New South Wales hat atomare Qubits hergestellt, indem es ein einzelnes Phosphoratom an einer bekannten Position in einem Siliziumkristall platziert hat.

Eine andere Idee besteht darin, dem Atom ein Elektron zu entziehen und es in ein Ion zu verwandeln. Dann kann man elektromagnetische Felder nutzen, um das Ion im freien Raum in der Schwebe zu halten und es mit Lasern zu beschießen, um seinen Zustand zu ändern. Auf diese Weise entsteht ein Quantencomputer mit „gefangenen Ionen“.

Ein Strom in einer Schleife aus supraleitendem Metall kann sich auch in einer Überlagerung befinden (zwischen dem Uhrzeigersinn und dem Gegenuhrzeigersinn), ein bisschen wie ein kleines Laufband, das gleichzeitig vorwärts und rückwärts läuft.

Ein Lichtphoton kann sich in der Richtung, in der es sich bewegt, in Überlagerung befinden. Einige Gruppen haben Quantenschaltungen aufgebaut, indem sie Photonen durch ein Labyrinth aus optischen Fasern und Spiegeln geschickt haben.

Wie erzeugt man die Überlagerung?

Haben Sie schon einmal versucht, eine Münze genau auf dem Rand zu balancieren? Genau so ist es mit der Programmierung eines Qubits. Es geht darum, etwas mit einem Qubit zu machen, so dass es gewissermaßen zwischen den Zuständen „ausgeglichen“ ist.

Im Fall des Atomkerns könnte dies durch ein elektrisches oder magnetisches Feld geschehen, das ihn mit gleicher Wahrscheinlichkeit in die eine oder andere Richtung drehen lässt.

Wie liest man also Informationen aus den Qubits aus?

Das, was bei einer Quantenberechnung vor sich geht, hat eine mystische Aura. Die ausgefalleneren Physiker beschreiben die Qubits als eine Art Quantenséance mit Parallelwelten, um die Antwort zu erraten.

Aber das ist keine Magie, sondern Quantenmechanik.

Angenommen, Sie haben Ihren neuen 64-Qubit-Quantencomputer für seine erste Berechnung in Betrieb genommen. Sie bringen alle 64 Qubits in Superposition, genau wie 64 Münzen, die alle auf dem Rand balanciert sind. Zusammen halten sie 264 mögliche Zustände in der Schwebe. Sie wissen, dass einer dieser Zustände die richtige Antwort darstellt. Aber welcher?

Das Problem ist, dass das Auslesen der Qubits dazu führt, dass die Überlagerung zusammenbricht – so als würde man mit der Faust auf den Tisch mit all den ausgeglichenen Münzen schlagen.

Hier kommt ein Quantenalgorithmus wie der von Shor ins Spiel. Er lädt die Qubits so, dass sie mit größerer Wahrscheinlichkeit auf die richtige Seite fallen und uns die richtige Antwort geben.

Wurden schon Quantencomputer gebaut?

Anscheinend ja, obwohl noch keiner von ihnen etwas kann, was herkömmliche Computer übertrifft.

In den letzten drei Jahren gab es dramatische Fortschritte beim Quantencomputing. Im Jahr 2016 feierte die Zeitschrift Nature einen von Google-Forschern entwickelten Computer mit neun Qubits. Achtzehn Monate später, im Dezember 2017, meldete IBM seinen 50-Qubit-Quantencomputer. Innerhalb von vier Monaten hatte Google mit seinem 72-Qubit-Quantencomputer „Bristlecone“ erneut die Nase vorn. In der Zwischenzeit hat IBM den ersten kommerziell erhältlichen Quantencomputer produziert – mit einem kostenpflichtigen Cloud-Zugang zu ihrer 20-Qubit-Maschine „Q System One“.

D-Wave ist mit der Entwicklung von 2000 supraleitenden Schleifen als Qubits immer noch weit voraus, obwohl einige Physiker skeptisch sind, dass D-Wave einen echten Quantencomputer gebaut hat.

Alle großen Akteure haben den nächsten großen Meilenstein im Visier: ‚Quanten-Supremacy‘. Damit ist gemeint, dass ein Quantencomputer ein Problem löst, das die Fähigkeiten klassischer Maschinen übersteigt. Theoretisch sollte dies mit einer 50-Qubit-Maschine möglich sein, aber nur, wenn die Fehlerraten niedrig genug sind.

Warum ist es so schwierig, einen Quantencomputer zu bauen?

Es gibt Herausforderungen auf jeder Ebene, vom Zusammenbau der Qubits über das Lesen und Schreiben von Informationen auf ihnen bis hin zum Hin- und Herschicken von Informationen, ohne dass sie in einer Puffung von Ungewissheit verschwinden.

Ein Qubit ist die ultimative Diva. Während ein Hollywood-Starlet vielleicht ein riesiges Ankleidezimmer und ein Bad voller Rosenblätter verlangt, benötigt ein Qubit perfekte Isolation und einen Thermostat, der auf ein Hundertstel Grad über dem absoluten Nullpunkt eingestellt ist. Die geringste Erschütterung durch ein Atom in der Nähe kann dazu führen, dass ein Qubit einen Quantenwutanfall bekommt und seine Überlagerung verliert.

Die größte Schwierigkeit besteht darin, die empfindlichen Zustände der Überlagerung und Verschränkung lange genug aufrechtzuerhalten, um eine Berechnung durchzuführen – die so genannte Kohärenzzeit.

Trotz dieser gewaltigen Herausforderung ist der Wettlauf um den Bau des ersten praktischen Quantencomputers zu einer der großen wissenschaftlichen Herausforderungen unserer Zeit geworden, an der Tausende von Physikern und Ingenieuren an Dutzenden von Forschungsinstituten auf der ganzen Welt beteiligt sind.