Das Geheimnis der Leistungsfähigkeit eines Quantencomputers liegt in seiner Fähigkeit, Quantenbits (Qubits) zu erzeugen und zu manipulieren.

Was ist ein Qubit?

Heutige Computer verwenden Bits – einen Strom von elektrischen oder optischen Impulsen, die 1en oder 0en darstellen. Alles, von Ihren Tweets und E-Mails bis hin zu Ihren iTunes-Songs und YouTube-Videos, sind im Wesentlichen lange Folgen dieser binären Ziffern.

Quantum-Computer hingegen verwenden Qubits, die typischerweise subatomare Teilchen wie Elektronen oder Photonen sind. Die Erzeugung und Verwaltung von Qubits ist eine wissenschaftliche und technische Herausforderung. Einige Unternehmen wie IBM, Google und Rigetti Computing verwenden supraleitende Schaltkreise, die auf Temperaturen gekühlt werden, die kälter sind als im Weltraum. Andere, wie IonQ, fangen einzelne Atome in elektromagnetischen Feldern auf einem Siliziumchip in Ultrahochvakuumkammern ein. In beiden Fällen ist das Ziel, die Qubits in einem kontrollierten Quantenzustand zu isolieren.

Qubits haben einige merkwürdige Quanteneigenschaften, die bedeuten, dass eine zusammenhängende Gruppe von ihnen viel mehr Rechenleistung liefern kann als die gleiche Anzahl von binären Bits. Eine dieser Eigenschaften ist als Superposition bekannt und eine andere wird Verschränkung genannt.

Was ist Superposition?

Qubits können zahlreiche mögliche Kombinationen von 1 und 0 gleichzeitig darstellen. Diese Fähigkeit, sich gleichzeitig in mehreren Zuständen zu befinden, nennt man Superposition. Um Qubits in Superposition zu bringen, manipulieren Forscher sie mit Präzisionslasern oder Mikrowellenstrahlen.

Dank dieses kontraintuitiven Phänomens kann ein Quantencomputer mit mehreren Qubits in Superposition eine riesige Anzahl von möglichen Ergebnissen gleichzeitig durchrechnen. Das endgültige Ergebnis einer Berechnung ergibt sich erst, wenn die Qubits gemessen werden, wodurch ihr Quantenzustand sofort auf 1 oder 0 „kollabiert“.

Was ist Verschränkung?

Forscher können Paare von Qubits erzeugen, die „verschränkt“ sind, das heißt, die beiden Mitglieder eines Paares existieren in einem einzigen Quantenzustand. Ändert man den Zustand eines der Qubits, so ändert sich augenblicklich der Zustand des anderen auf vorhersagbare Weise. Dies geschieht selbst dann, wenn sie durch sehr große Entfernungen getrennt sind.

Niemand weiß so recht, wie oder warum Verschränkung funktioniert. Sogar Einstein war verblüfft, der sie als „spukhafte Fernwirkung“ bezeichnete. Aber sie ist der Schlüssel zur Leistung von Quantencomputern. In einem konventionellen Computer verdoppelt die Verdopplung der Anzahl der Bits die Rechenleistung. Aber dank der Verschränkung führt das Hinzufügen zusätzlicher Qubits zu einer exponentiellen Steigerung der Rechenleistung eines Quantencomputers.

Quantencomputer nutzen verschränkte Qubits in einer Art Quanten-Daisy-Chain, um ihre Magie zu entfalten. Die Fähigkeit der Maschinen, Berechnungen mit speziell entworfenen Quantenalgorithmen zu beschleunigen, ist der Grund, warum es so viel Wirbel um ihr Potenzial gibt.

Das ist die gute Nachricht. Die schlechte Nachricht ist, dass Quantenmaschinen wegen der Dekohärenz viel fehleranfälliger sind als klassische Computer.

Was ist Dekohärenz?

Die Wechselwirkung von Qubits mit ihrer Umgebung in einer Weise, die dazu führt, dass ihr Quantenverhalten zerfällt und schließlich verschwindet, nennt man Dekohärenz. Ihr Quantenzustand ist extrem fragil. Die kleinste Vibration oder Temperaturänderung – Störungen, die in der Quantensprache als „Rauschen“ bezeichnet werden – können dazu führen, dass sie aus der Superposition herausfallen, bevor ihre Aufgabe richtig erledigt ist. Deshalb tun Forscher ihr Bestes, um die Qubits in unterkühlten Kühlschränken und Vakuumkammern vor der Außenwelt zu schützen.

Aber trotz aller Bemühungen schleichen sich durch das Rauschen immer noch viele Fehler in die Berechnungen ein. Intelligente Quantenalgorithmen können einige davon kompensieren, und das Hinzufügen weiterer Qubits hilft ebenfalls. Es werden jedoch wahrscheinlich Tausende von Standard-Qubits benötigt, um ein einziges, sehr zuverlässiges Qubit, ein sogenanntes „logisches“ Qubit, zu erzeugen. Das wird einen großen Teil der Rechenkapazität eines Quantencomputers aufzehren.

Und da ist der Haken: Bislang ist es den Forschern nicht gelungen, mehr als 128 Standard-Qubits zu erzeugen (siehe unseren Qubit-Zähler hier). Von allgemein nutzbaren Quantencomputern sind wir also noch viele Jahre entfernt.

Das hat die Hoffnungen der Pioniere, als erste die „Quantenüberlegenheit“ zu demonstrieren, nicht getrübt.“

Was ist Quanten-Suprematie?

Es ist der Punkt, an dem ein Quantencomputer eine mathematische Berechnung abschließen kann, die nachweislich jenseits der Reichweite selbst des leistungsstärksten Supercomputers liegt.

Es ist immer noch unklar, wie viele Qubits genau benötigt werden, um dies zu erreichen, da Forscher immer wieder neue Algorithmen finden, um die Leistung klassischer Maschinen zu steigern, und Supercomputing-Hardware immer besser wird. Aber Forscher und Unternehmen arbeiten hart daran, den Titel für sich zu beanspruchen, indem sie Tests gegen einige der leistungsstärksten Supercomputer der Welt durchführen.

In der Forschungswelt gibt es viele Diskussionen darüber, wie bedeutsam das Erreichen dieses Meilensteins sein wird. Anstatt auf die Erklärung der Vorherrschaft zu warten, experimentieren Unternehmen bereits mit Quantencomputern von Firmen wie IBM, Rigetti und der kanadischen Firma D-Wave. Chinesische Firmen wie Alibaba bieten ebenfalls Zugang zu Quantencomputern an. Einige Unternehmen kaufen Quantencomputer, andere nutzen solche, die über Cloud-Computing-Dienste zur Verfügung gestellt werden.

Wo wird ein Quantencomputer wahrscheinlich zuerst am nützlichsten sein?

Eine der vielversprechendsten Anwendungen von Quantencomputern ist die Simulation des Verhaltens von Materie bis hinunter auf die molekulare Ebene. Autohersteller wie Volkswagen und Daimler setzen Quantencomputer ein, um die chemische Zusammensetzung von Elektroauto-Batterien zu simulieren und so neue Wege zur Leistungssteigerung zu finden. Und Pharmaunternehmen nutzen sie, um Verbindungen zu analysieren und zu vergleichen, die zur Entwicklung neuer Medikamente führen könnten.

Die Maschinen eignen sich auch hervorragend für Optimierungsprobleme, da sie extrem schnell eine große Anzahl möglicher Lösungen durchspielen können. Airbus zum Beispiel nutzt sie, um die treibstoffeffizientesten Steig- und Sinkflugbahnen für Flugzeuge zu berechnen. Und Volkswagen hat einen Dienst vorgestellt, der die optimalen Routen für Busse und Taxis in Städten berechnet, um Staus zu minimieren. Einige Forscher glauben auch, dass die Maschinen zur Beschleunigung der künstlichen Intelligenz eingesetzt werden könnten.

Es könnte noch einige Jahre dauern, bis Quantencomputer ihr volles Potenzial erreichen. Universitäten und Unternehmen, die an ihnen arbeiten, sehen sich mit einem Mangel an qualifizierten Forschern auf dem Gebiet konfrontiert – und mit einem Mangel an Lieferanten für einige Schlüsselkomponenten. Aber wenn diese exotischen neuen Rechenmaschinen halten, was sie versprechen, könnten sie ganze Industrien umgestalten und die globale Innovation ankurbeln.