Was ist ein Quantencomputer?

Die Quanteninformatik wird als der nächste große technologische Sprung der Menschheit angekündigt - ein Sprung, der mit der landwirtschaftlichen oder industriellen Revolution vergleichbar ist. Aber was ist das und wie funktioniert es?

Einigen Schätzungen zufolge wird der Markt für Quantencomputer bis 2035 ein Volumen von 70 Milliarden Dollar erreichen, und allein für den Finanz-, Chemie-, Biowissenschafts- und Verkehrssektor werden diese Computer wirtschaftliche Auswirkungen im Wert von etwa 2 Billionen Dollar haben.

Man hofft, dass das Quantencomputing die nächste große technologische Revolution darstellt und zur Lösung einiger der dringendsten existenziellen Probleme der Menschheit eingesetzt werden kann.

Warum brauchen wir Quantencomputer?

Um am besten zu verstehen, wie radikal anders Quantencomputer sind, lohnt es sich vermutlich, die Funktionsweise eines herkömmlichen Computers zu rekapitulieren.
Der Prozessor in dem Computer, den Sie zu Hause haben (oder in Ihrem Smartphone oder Ihrer Smartwatch etc.), verarbeitet Informationen, indem er sie in "Bits" zerlegt - die entweder eine Eins oder eine Null sind - im Grunde eine Reihe von Transistoren, die ein- und ausgeschaltet werden können (ein ist eine Eins und aus ist eine Null).
In den Anfängen der Computertechnik bestand jedes "Bit" aus einer Vakuumröhre, und ein Computer mit 1.600 Bits - wie die Codeknacker-Maschine Colossus (gebaut 1943) - konnte eine Tonne wiegen und einen ganzen, wirklich großen Raum füllen.

Heute sind dank der Siliziumrevolution keine Vakuumröhren mehr nötig, und selbst ein unscheinbarer Smartphone-Prozessor, der kleiner ist als ein Daumennagel, kann etwa 512 Milliarden Bits enthalten.

Der Nachteil herkömmlicher Computer besteht darin, dass jede Berechnung nacheinander ausgeführt werden muss - jeder Schalter kann immer nur eine Eins oder eine Null sein, und jeder muss der Reihe nach geändert werden. Diese (per Definition) binäre Arbeitsweise bedeutet, dass eine Berechnung abgeschlossen sein muss, bevor die nächste beginnen kann.

Quantencomputer umgehen dies durch ein wenig quantenphysikalische "Magie", die es ihnen ermöglicht, mehrere Berechnungen gleichzeitig auszuführen. Aber wie ist das möglich?

Von Bits zu Qubits

Anstelle des "Bits" ist die grundlegende Recheneinheit eines Quantencomputers ein "Quantenbit", oder "Qubit". Anstelle eines Transistors besteht ein Qubit aus einigen der kleinsten Bausteine des Universums - einzelnen Atomen, Elektronen oder Photonen.

Es gibt viele Möglichkeiten, Qubits zu erzeugen, aber alle machen sich eines der seltsamsten Phänomene der Quantenmechanik zunutze: die Quantenüberlagerung. Überlagerung ist eine Eigenschaft der Quantenmechanik, die besagt, dass ein Teilchen oder ein Photon in allen möglichen Zuständen gleichzeitig existieren kann - es kann sich gleichzeitig nach oben und nach unten drehen, und es wird sich nur dann für einen Zustand entscheiden, wenn es durch Beobachtung dazu gezwungen wird.

Man kann sich das wie einen Münzwurf vorstellen. Während sich eine Münze durch die Luft dreht, könnte man sagen, dass sie gleichzeitig als Kopf und Zahl existiert. Erst wenn die Münze "beobachtet" wird, indem sie auf einer Tischplatte landet, "entscheidet" sie, welchen Zustand sie einnehmen soll.

Das Quanten-'Schlupfloch'

Es ist die "Schrödingers Katze"-Fähigkeit von Qubits, in allen Zuständen gleichzeitig zu existieren, die es Quantencomputern ermöglicht, die Beschränkungen der sequentiellen Berechnung zu überwinden, die für herkömmliche bitbasierte Computer gelten. Wenn ein Qubit gleichzeitig eine Eins und eine Null sein kann, kann es sofort mehrere Ergebnisse liefern, die über die Grenzen des binären Bits hinausgehen.

Es liegt auf der Hand, dass ein Computer mit einem einzigen Bit oder sogar einem einzigen Qubit in der Praxis nicht viel nützt, und wie bei konventionellen Computern gilt: Je mehr Bits man hat, desto mehr und schneller kann man rechnen.

Bei einem herkömmlichen Computer kann man einfach mehr Bits in eine Siliziumscheibe ätzen, aber wenn der Computer aus einzelnen schwebenden Atomen besteht, wie kann man dann mehr Bits erzeugen und, was noch wichtiger ist, wie kann man sie dazu bringen, miteinander zu "sprechen"?

Verflochtenes Netz

Damit Qubits zusammenarbeiten können, müssen die Wissenschaftler eine weitere Besonderheit der Quantenphysik ausnutzen: die Quantenverschränkung. Sie können diese Eigenart nutzen, um Netze von "verschränkten" Qubits zu schaffen, bei denen alle ihre Überlagerungszustände miteinander verbunden sind.
In ihrer einfachsten Form bedeutet Quantenverschränkung, dass zwei oder mehr Teilchen durch eine Art Quanten-Wifi-Netzwerk miteinander verbunden sind.
Diese Verbindung bedeutet, dass jedes der Qubits sofort auf eine Änderung des Zustands eines anderen Qubits reagiert, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Das bedeutet, dass man durch die Messung der Eigenschaften eines verschränkten Qubits sofort die Eigenschaften seines Gegenstücks erkennen kann.

Je mehr verschränkte Qubits in einem Quantencomputer vorhanden sind, desto mehr (und schnellere) Berechnungen kann der Computer durchführen. Und da jedes Qubit in mehreren Zuständen existiert, kann es mehrere Berechnungen gleichzeitig durchführen - wenn man mehr verschränkte Qubits hinzufügt, steigt die Zahl der möglichen Berechnungen, die der Computer durchführen kann, exponentiell an.

Was bedeutet diese Exponentialität in der Praxis? Nun, für einen Quantencomputer mit 1 180 Qubits (immer noch weniger als die 1 600 Bits von Colossus) würde die Anzahl der verschränkten Zustände auf seinem Prozessor die Anzahl der einzelnen Atome im bekannten Universum übersteigen.

Das alles bedeutet, dass man eine Berechnung nicht wie bei einem langweiligen alten Siliziumprozessor mehrmals durchführen muss, sondern theoretisch alle denkbaren Berechnungen gleichzeitig durchführen kann.

Wozu soll das gut sein?

Stellen Sie sich vor, Sie sind ein Lieferunternehmen und wollen die beste Route von A nach B planen, müssen aber unterwegs 150 Stopps einlegen.
Ein normaler Computer würde sich jede mögliche Route einzeln ansehen und dann die Ergebnisse vergleichen, um das effizienteste Ergebnis zu ermitteln - und es kann Zehntausende von möglichen Routen geben.

Da der Quantencomputer in vielen Zuständen gleichzeitig existiert, kann er viele verschiedene Routen auf einmal betrachten und die effizienteste Route fast augenblicklich ermitteln. Auf diese Weise werden komplexe Berechnungen mit vielen komplexen Variablen um ein Vielfaches schneller.

Dies ist zwar ein recht banales Beispiel, aber das Entscheidende ist, dass Quantencomputer durch die Fähigkeit, fast unbegrenzt viele Berechnungen gleichzeitig durchzuführen, außergewöhnliche Echtzeit-Optimierungs- und Mustererkennungsfähigkeiten erhalten.

Es wird also erwartet, dass Quantencomputer der beste Freund einer Bank und der Albtraum eines Betrügers sein werden. Sie werden in der Lage sein, unvorstellbare Einblicke in die Art komplexer natürlicher Systeme zu gewähren, die binäre Computer einfach nicht bewältigen können - z. B. wie sich Wettersysteme entwickeln, wie sich der langfristige Klimawandel vollzieht und, in kleinerem Maßstab, wie Medikamente mit Krebserkrankungen interagieren ... und damit möglicherweise Ihr Leben und das des Planeten retten, von dem unser aller Leben abhängt.

Die Kehrseite der Medaille wäre, dass ein Quantencomputer fast jedes derzeitige Datenverschlüsselungssystem knacken könnte, was den Spionagebehörden der Welt einiges Kopfzerbrechen bereiten und ein Wettrüsten zwischen quantenbasierter Kryptografie und Quantenhackern auslösen würde.

Skalierbarkeitsproblem

Leider ist es nicht so einfach, einen Quantencomputer zu vergrößern, indem man einfach ein paar Qubits mehr hinzufügt und sie alle miteinander verschränkt. Bei einem normalen Computer kann man einfach mehr Bits hinzufügen, aber bei Quantencomputern wird das System umso instabiler, je mehr Qubits man hat, und umso schwieriger wird es, dem System weitere Qubits hinzuzufügen. Das macht es unglaublich schwierig, einen Quantencomputer-Prozessor zu vergrößern.

Außerdem sind Überlagerung und Verschränkung sehr instabile Zustände, und die geringste Störung - etwa durch Vibrationen oder Strahlung - kann dazu führen, dass diese Zustände gestört werden oder zusammenbrechen. Dies wird als Quantendekohärenz bezeichnet, und wenn dies geschieht, muss das "defekte" Qubit ersetzt werden.
Dies bedeutet, dass Qubit-basierte Prozessoren sorgfältig von der Außenwelt isoliert werden müssen, indem man ein Vakuum verwendet, Vibrationen dämpft und sie vor Strahlung abschirmt.

Dieses "Skalierbarkeitsproblem" ist der Grund, warum Zentren wie das National Quantum Computing Centre gebaut wurden, aber es ist auch der Grund, warum Sie wahrscheinlich nie einen Quantencomputer auf Ihrem Schreibtisch oder in Ihrer Tasche haben werden - was bedeutet, dass die Zukunft des Rechnens wahrscheinlich nicht ausschließlich aus Quantencomputern bestehen wird, sondern aus einer Kombination von Qubits und guten alten binären Bits.