Quantumaniacs: Der Hype um Quantencomputer

Quantencomputer – eine Bezeichnung, die einem Science-Fiction-Roman entsprungen sein könnte. Sie sollen Krankheiten und das Wetter vorhersagen und theoretisch in der Lage sein, den Urknall zu simulieren. Doch was hat es mit dem Hype um die Supercomputer der Zukunft auf sich, und wie funktioniert die Technologie?

Googles Quantencomputer Sycamore soll eine Rechenaufgabe in 3 Minuten gelöst haben, wofür ein normaler Computer 10.000 Jahre gebraucht hätte. Auch wenn der wissenschaftliche Meilenstein in der Fachwelt umstritten ist, zeigt er doch, was theoretisch möglich ist: dass ein Quantencomputer einem herkömmlichen PC in Sachen Leistungsfähigkeit um Welten überlegen sein könnte.

MEISTER IM MULTITASKING: SO FUNKTIONIERT EIN QUANTENCOMPUTER

Im Unterschied zu einem normalen PC rechnet ein Quantencomputer millionenfach schneller. Denn er löst Rechenschritte parallel anstatt nacheinander wie ein herkömmlicher PC. „Normale“ Computer arbeiten mit Bits, wobei ein Bit nur zwei Zustände annehmen kann: entweder eingeschaltet (1) oder ausgeschaltet (0). Quantencomputer hingegen arbeiten mit sogenannten „Qubits“, die wie bei einem klassischen PC in einem Zustand zwischen (1) oder (0) sein können – oder auch in theoretisch unendlich vielen Zuständen dazwischen. Genau diese Fähigkeit des Qubits, die Superposition genannt wird, verleiht Quantencomputern das Potenzial, prinzipiell effizienter zu sein – ein Meister im Multitasking sozusagen.

EIN SUPERCOMPUTER, DER KRANKHEITEN UND DAS WETTER VORHERSAGEN KANN?

Das disruptive Potenzial von Quantencomputern ist hoch. In Zukunft sollen sie Probleme lösen, mit denen selbst die leistungsfähigsten Supercomputer bislang erfolgslos blieben, besonders in Bereichen wie Chemie und Materialforschung, Medikamentenentwicklung, Logistik und Verkehrsplanung. Mögliche Anwendungsfälle wären beispielsweise leistungsfähigere Akkus, neue und wirksamere Medikamente sowie die Vorhersage des Wetters oder Krankheiten mittels Big Data und KI.
Ein Quantencomputer knackt jede Verschlüsselung im Netz, somit ist das Thema auch für Geheimdienste und Militär hoch relevant.

DIE HERAUSFORDERUNGEN DER QUANTENTECHNOLOGIE

Forschende stehen beim Bau von Quantencomputern vor vielen technologischen Herausforderungen. Denn noch sind Quantencomputer schwer programmierbar, das heißt es braucht völlig neue Ansätze was das Programmieren betrifft. Hinzu kommt, dass sie fehleranfällig sind und kleinste Temperaturschwankungen sowie Vibrationen den empfindlichen Zustand von Qubits zerstören können. Stabil bleiben die Qubits trotz guter Abschirmung nur Bruchteile von Sekunden, in denen die Berechnung abgeschlossen sein muss.
Zudem ist es sehr aufwendig, Qubits kontrolliert in den Überlagerungszustand zu bringen. Aktuell funktionieren Quantencomputer nur im Vakuum und im Temperaturbereich nahe dem Nullpunkt. Deshalb müssen Forschende die Chips, auf denen die Ionenfallen oder Kreisströme aufgebracht sind, auf die tiefstmögliche Temperatur herunterkühlen, in Celsius -273,15 Grad. Ihr nähern sich die Quantenchips bis auf wenige Tausendstel Grad an. Es braucht aufwendige und große Kühlmaschinen, da es Tage dauert, bis ein Quantenchip von Zimmertemperatur auf seiner Betriebstemperatur angekommen ist.

FASZINATION SCIENCE-FICTION ODER HYPE DER REALITÄT?

Von einem möglichen Nachweis von Quantenüberlegenheit, wie Google ihn erreicht haben will, bis hin zu einem sinnvollen Einsatz von Quantencomputern in der Praxis ist es noch ein weiter Weg. Es gibt zwar schon lauffähige Quantencomputer, doch die Zahl ihrer Qubits reicht erst für wenige Aufgaben. Die technologischen Herausforderungen zeigen, dass noch einiges an Forschung nötig sein wird, um Quanten zu kontrollieren sowie Fehler auszuschließen und zu reduzieren. Fest steht: Diese Technologie könnte in vielen Bereichen bald eine Schlüsseltechnologie darstellen.