So funktioniert ein Quantencomputer

Qubits statt Bits

Quantencomputer arbeiten dagegen ganz anders, und zwar mit "Qubits“. Das ist nichts anderes als eine Verkürzung von "Quanten-Bit“. Wie ein Bit in einem klassischen Computer kann ein Qubit entweder im Zustand [1] oder [0] sein. Interessant wird es aber, wenn das Qubit seine besondere Eigenschaft ausspielt, die das klassische Bit nicht hat: Ein Qubit kann nämlich auch gleichzeitig im Zustand [1] und [0] sein oder auch in theoretisch unendlich vielen Zuständen dazwischen. Man kann sich das am besten mit einer Münze klar machen: Soll sie ein klassisches Bit darstellen, kann man sie entweder mit Kopf oder Zahl nach oben legen, das wäre eine [0] oder eine [1]. Ein Qubit wäre dagegen eine in die Luft geworfene Münze, die sich schnell um sich selbst dreht. Bei ihr kann man nicht sagen, ob Kopf oder Zahl oben ist, sie ist in beiden Zuständen gleichzeitig.

Und diese Fähigkeit des Qubits macht den Quantencomputer prinzipiell effizienter: Für die gleiche Berechnung braucht er wesentlich weniger Qubits als heutige Computer Bits. Das macht das folgende Beispiel klar.

Exponentieller Vorsprung durch Qubits

Mit zwei Bits kann ein normaler Computer die Zahlen von 0 bis 3 darstellen. Die beiden Bits [0,0] ergeben die Zahl 0, mit [0,1] ist die Zahl 1 gemeint. Mit [1,0] die Zahl 2 und mit [1,1] die 3. Zwei Bits können in einem klassischen Computer immer nur eine Zahl auf einmal darstellen. In einem Quantencomputer kann ein Qubit dagegen unendlich viele verschiedene Zustände annehmen und das gleichzeitig. Die vier Zustandskombinationen, die die Zahlen 0 bis 3 darstellen, können theoretisch also durch nur einen Qubit und zur selben Zeit dargestellt werden. Der Quantencomputer ist deshalb deutlich schneller. Momentan ist die Praxis allerdings noch nicht so weit und es sind nur wenige Qubit-Zustände nutzbar.

Doch selbst wenn man von nur zwei verschiedenen Zuständen ausgeht, die ein Qubit gleichzeitig einnehmen kann, dann verdoppelt jedes dazukommende Qubit die Anzahl der gleichzeitig darstellbaren Zustände. Dieser Vorteil wächst exponentiell: Drei Qubits können schon 8 Zustände gleichzeitig einnehmen, 300 Qubits sogar 2 hoch 300 = 203703597633448608626844568840937816105146839366593625063614044935438129976333 6706183397376. Das ist eine größere Zahl, als Teilchen im Universum existieren! Für einen klassischen Computer eine nicht zu bewältigende Aufgabe. An diesem Beispiel erkennt man den uneinholbaren Vorteil, den Quantencomputer prinzipiell haben.

Rechnen mit Überlichtgeschwindigkeit

Die Qubits in einem Quantencomputer können außerdem quantenverschränkt sein, umgangssprachlich würde man sagen, dass sie miteinander verbunden sind. Wird ein Qubit in einen bestimmten Zustand gebracht, ändert sich in diesem Moment auch der Zustand der anderen mit ihm quantenverschränkten Qubits. Dies geschieht mit Überlichtgeschwindigkeit. Da mehrere Qubits miteinander quantenverschränkt sind, ihr eigener Zustand also abhängig von dem der anderen Qubits ist, kann auch die Berechnung im Quantencomputer überlichtschnell erfolgen. Auch das ist ein Vorteil von Quantencomputern gegenüber heutigen Computern.

So werden Qubits gemacht:

Um Qubits zu erzeugen, stehen unterschiedliche Methoden zur Verfügung. Gewöhnlich werden geladene Atome, die Ionen, in magnetische und elektrische Felder eingesperrt. In dieser "Ionen-Falle“ können die Ionen mit Mikrowellenstrahlung in verschiedene Zustände gebracht und so mit Informationen geladen werden. Auch das Ablesen des Ergebnisses ihrer Berechnung erfolgt mittels Mikrowellenstrahlung. Jedes einzelne Ion in der Falle ist dabei ein Qubit.

Es gibt aber auch noch andere Möglichkeiten, Qubits zu erzeugen: So arbeitet Google mit Quantenchips, auf denen schwache Ströme auf winzigstem Raum im Kreis fließen. Wie eine einzelne Welle, die in einem kreisrunden Wellentunnel wandert. Jeder Kreisstrom stellt dabei ein Qubit dar und kann ähnlich wie Ionen mit Mikrowellenstrahlung in verschiedene Zustände gebracht und auch wieder ausgelesen werden. Andere Forschende experimentieren auch mit Photonen, also mit Lichtteilchen, als physikalische Umsetzung von Qubits.

Klingt alles verrückt? Ist es auch.

Die Wissenschaftler:innen der Physik haben lange gebraucht, um sich mit den seltsamen Gesetzen der Quantenwelt anzufreunden, die unserer Alltagserfahrung widersprechen. Aber die Beherrschung der Quantenphysik hat bereits viele praktische Anwendungen, von Solarzellen über Glasfasernetze und Lasern bis zu MRT-Aufnahmen im Krankenhaus. Es ist also möglich, die Quanten zu nutzen. Jetzt hoffen die Physiker:innen, ihre ungewöhnlichen Eigenschaften auch für Quantencomputer einsetzen zu können.

Einfache "Quantencomputer" gibt es seit über 20 Jahren

Erste Quantencomputer mit wenigen Qubits gab es schon in den 1990er-Jahren. 2001 konnte ein 7-Qubit-Quantencomputer von IBM die Zahl 15 in ihre Faktoren 3 und 5 zerlegen und 2017 hat ein Wissenschaftler der Uni Basel das allererste Spiel auf einem Quantencomputer entwickelt, und zwar "Schere, Stein, Papier", und kurz darauf eine sehr einfache Version von "Schiffe versenken".

Aber Quantencomputer, die wie heutige Computer frei programmiert werden können, um verschiedene Aufgaben zu lösen, erwarten die Forschenden frühestens gegen 2030. Manche Fachleute gehen davon aus, dass schon 100 Qubits reichen würden, um erste einfache praktische Probleme lösen zu können, anderen tippen eher auf ein paar Millionen Qubits. Einige gehen sogar davon aus, dass es in absehbarer Zukunft keine praktisch anwendbaren Quantencomputer geben wird. Das zeigt, wie selbst Expert:innen bei dieser neuen Computertechnik noch im Dunkeln tappen.

Der nächste realistische Schritt: die Kombination von klassischen Computern mit Quantencomputern

Bis es frei programmierbare Quantencomputer geben wird, müssen Quantencomputer jeweils für spezielle Probleme maßgeschneidert konstruiert und mit herkömmlichen Computern gekoppelt werden. Der Quantencomputer führt dann die Berechnungen durch, bei denen er seine Stärke voll ausspielen kann, und alles andere übernimmt der klassische Computer. Die kanadische Firma D-Wave baut seit etwas über zehn Jahren solche Mischcomputer. Mittlerweile sollen sie bis zu 2048 Qubits enthalten. Es handelt sich dabei aber um wenig flexible Systeme, die nicht frei programmierbar sind. Sie werden vor allem für verschiedene Optimierungsverfahren getestet. Mit dieser Methode will zum Beispiel VW Navigationssysteme testen, mit denen man Staus besser als bisher umfahren können soll.