Wie funktioniert ein Quantencomputer?

So unangenehm es auch sein mag, es zuzugeben: Wissenschaft und Technik sind voller „Hypes“, Entwicklungen mit außergewöhnlichem Potenzial und spektakulären Versprechungen, die nie Wirklichkeit werden. Kalte Fusion und Graphen sind zwei gute Beispiele, aber wenn wir die Marktriesen genauer betrachten, stellen wir fest, dass sie nicht aufhören können, über Quantencomputer zu sprechen. Was wollen sie damit erreichen? Wie funktioniert ein Quantencomputer? Heute gehen wir diesen Fragen auf den Grund.

Nullen, Einsen ... und noch mehr

Unser digitales Leben ist ein endloser Tanz aus Einsen und Nullen. Dieser Artikel, der Browser, den du benutzt, dein Betriebssystem. Fotos, Videos, Musik, Spiele, Arbeit, Prüfungen. Liebe? Geld? Auch sie entkommen den Bits nicht. Abgesehen von einigen spezifischen Bedingungen, die ein Bit spontan „umschalten“ und Chaos säen können, funktionieren sie und haben uns sehr gute Dienste geleistet.

Die Softwareentwicklung der letzten Jahrzehnte war (und ist) darauf ausgerichtet, immer mehr Bits zu verarbeiten, und das mit immer höherer Geschwindigkeit. Unsere Fortschritte nähern sich jedoch rasch den physikalischen Grenzen, denen wir nicht entkommen können. Mit Komponenten, die sich der Größe eines Atoms nähern, ist die Quantenphysik unser wichtigster „Feind“ ... aber was, wenn wir sie zu unserem „Verbündeten“ machen? Willkommen im Quantencomputer.

Wie funktioniert ein Quantencomputer?

(Anm. d. Red.: Untertitel auf Spanisch)

Im Allgemeinen besteht die Idee eines Quantencomputers darin, Quanteneigenschaften für Operationen zu nutzen. In einem herkömmlichen Computer ist das Bit die kleinste Informationseinheit mit 0 und 1 als möglichen Zuständen. In einem Quantencomputer haben wir jedoch das Qubit („Quantenbit“), das 0, 1 ... oder eine Mischung aus beidem sein kann. Das führt uns zur berühmten Quantenüberlagerung: Solange es nicht beobachtet, ausgewertet oder gemessen wird, befindet sich das Qubit in Überlagerung, aber sobald man etwas damit tut, muss es in einen seiner endgültigen Zustände kollabieren. Schrödingers Katze, nur mit Bits.

Ja, aber es ist noch komplizierter ...

Zu dem vorherigen Absatz müssen wir das Konzept der Quantenverschränkung hinzufügen. Im Grunde handelt es sich um eine Verbindung oder Kopplung, die ein Qubit auf die Zustandsänderung eines anderen Qubits reagieren lässt. Diese Reaktion ist augenblicklich und wird nicht durch die Entfernung zwischen den Qubits beeinflusst. Warum ist das wichtig? Weil wir beim Messen eines verschränkten Qubits die Eigenschaften seines Partners berechnen können, ohne eine zusätzliche Beobachtung durchführen zu müssen.

Dennoch ... all das, was wir bisher gesagt haben, ist die „einfache Version“ des Quantencomputers. Scott Aaronson, Professor für Informatik an der University of Texas (Austin) und einer der wichtigsten Experten für Quanteninformatik, erklärt uns, dass die Quantenmechanik mit Amplituden arbeitet. Und das Qubit ist ein Bit mit einer Amplitude für 0 und einer für 1. Eines der grundlegenden Ziele von Quantencomputern ist es, dass alle Amplituden, die zu falschen Ergebnissen führen, sich gegenseitig aufheben und die verbleibenden Amplituden dazu dienen, die richtige Antwort zu finden. Um das zu erreichen, sind aktuelle Quantencomputer auf Supraleitung angewiesen. Der Chip ist kaum größer als ein herkömmlicher Prozessor und verwendet eine Reihe von „Spulen“, in denen zwei Quantenzustände von Strom fließen. Die Spulen können mithilfe von Josephson-Kontakten miteinander interagieren, wodurch verschränkte Zustände erzeugt werden. Die Interaktion zwischen Qubits ist vollständig programmierbar, und damit alles funktioniert, muss das System auf eine Temperatur sehr nahe dem absoluten Nullpunkt gebracht werden.

Das Problem

Als der erste Laser 1960 gebaut wurde, bezeichnete ihn sein Erfinder Theodore Maiman als „eine Lösung, die ein Problem sucht“. Und aus gewisser Sicht können wir dasselbe über den Quantencomputer sagen. Wir haben eine ziemlich solide Vorstellung von seinem Potenzial, aber er muss nicht nur einen qualitativen Sprung machen, sondern auch einen quantitativen.

Die besten Quantencomputer haben durchschnittlich 50 Qubits. Der Quantenprozessor Sycamore von Google verfügt über insgesamt 53 Qubits, und das chinesische System Jiuzhang erreichte 76. Die Experten sind sich jedoch einig, dass ein exponentielles Wachstum nötig ist, mit Computern aus Hunderttausenden von Qubits, um nutzbringende Arbeit zu leisten und Probleme großer Tragweite zu lösen.

Zuerst kommt einem eine Art „quantisches Mooresches Gesetz“ in den Sinn, aber das würde nicht ausreichen: Während das Mooresche Gesetz die Zahl der Transistoren alle 18 bis 24 Monate verdoppelte, müssten Quantencomputer ihre Qubit-Zahl alle zwölf Monate oder weniger verdoppeln. Was bedeutet das? Mindestens zehn Jahre.

Quantencomputer: Anwendungen und Herausforderungen

Natürlich gibt es genügend Gründe, sich allen Herausforderungen zu stellen, die die Quanteninformatik auf uns zukommen lässt. Von fortgeschrittenen Simulationen von Molekülen bis hin zu wirtschaftlichen Prognosen, über neue Zweige in Bildung, Medizin und Sicherheit – Quantencomputer werden viele Märkte schaffen, und man muss sich darauf vorbereiten.

Der Aspekt der Sicherheit verdient ein eigenes Kapitel: Unter den richtigen Bedingungen (denke an Millionen von Qubits) könnte ein Quantencomputer das RSA-Kryptosystem pulverisieren, und wenn es so weit kommt ... sollten wir besser eine gute Alternative bereithalten.