So funktioniert ein Quantencomputer

Derzeit liefern sich weltweit Spitzenlabors und Firmen wie Google, Microsoft und IBM einen heftigen Wettkampf um die Entwicklung des Quantencomputers. Foto: AFP

Neue Computertechnik

So funktioniert ein Quantencomputer

Der Name klingt, als ob er einem Science-Fiction-Autor eingefallen wäre. Aber was sind Quantencomputer eigentlich? Und was können sie?

20. Dezember 2019 | 7 Kommentare

Frage 1:

Warum gibt es so einen Hype um Quantencomputer?

Der Unterschied zwischen einem Quantencomputer und einem normalen Heim-PC ist etwa so groß wie der zwischen einem Überschall-Jet und einem Zeppelin, was die Leistungsfähigkeit angeht. Deshalb liefern sich derzeit weltweit Spitzenlabors und Firmen wie Google, Microsoft und IBM einen heftigen Wettkampf um die Entwicklung des Quantencomputers. Noch steckt der Quantencomputer aber in den Kinderschuhen. Dabei ist die Idee schon recht alt: Bereits in den 1980er Jahren hatten Physiker darüber nachgedacht, ob man die seltsamen Gesetze der Quantenwelt – also die Welt des Allerkleinsten, wie beispielsweise der Elektronen, Photonen oder Quarks – für völlig neuartige und extrem leistungsfähige Computer nutzen könnte.

Der Supercomputer der Zukunft

Quantencomputer sollen Probleme lösen, an denen selbst die größten Supercomputer bislang scheitern. Zum Beispiel wollen Forscher mit diesen Computern die Wechselwirkungen von Molekülen oder ihre möglichen Zustände simulieren, was zu Durchbrüchen in der Entwicklung von Medikamenten führen könnte. Auch Anwendungen aus dem Bereich der Künstlichen Intelligenz und die Verarbeitung von Big Data könnten mit Quantencomputern einen gewaltigen Sprung nach vorne machen. Krankheiten oder das Wetter könnten langfristig vorhergesagt werden.

Verschlüsselungen knacken und die Natur simulieren

Auch Geheimdienste und das Militär interessieren sich für Quantencomputer, denn mit ihnen könnten sie die heute gängigen digitalen Verschlüsselungen knacken. Aber genau wie vor über einem halben Jahrhundert, als die herkömmlichen Computer langsam die damaligen Elektronik-Labore verließen, können wir viele mögliche Anwendungen der Quantencomputer heute noch gar nicht voraussehen. Manche Physiker hoffen sogar, mit Quantencomputern sämtliche Prozesse simulieren zu können, die in der Natur vorkommen, also auch die Entstehung des Universums und die des Lebens. Davon sind wir mit unseren heutigen Möglichkeiten weit entfernt.

Infobox: Was sind eigentlich “Quanten“?

Sie geben dem Quantencomputer ihren Namen. Mit dem Begriff „Quant“ wird in der Physik der kleinstmögliche Wert einer physikalischen Größe beschrieben, er ist also eine Art „Stückelung“, wie die Pixel eines digitalen Fotos. Ein Quant kann nicht geteilt werden, es kann nur als Ganzes erzeugt oder vernichtet werden. In der Welt der Quanten gelten Gesetze, die unserer Alltagserfahrung widersprechen. Bis heute haben die Physiker sie nicht völlig verstanden. Das für uns am einfachsten vorstellbare Quant ist das Quant einer elektromagnetischen Welle, also von sichtbarem Licht, Radiowellen oder Mikrowellen usw… Es wird Photon oder auch Lichtteilchen genannt. Das Quant in einem Quantencomputer kann ein geladenes Atom, also ein Ion, oder eine bestimmte Menge von Elektronen in einem Kreisstrom sein. Angelehnt an die Bits in herkömmlichen Computern wird dieses Quant als Qubit bezeichnet und ist die Grundrecheneinheit in Quantencomputern.

Frage 2:

Wie funktioniert ein Quantencomputer?

Heute gängige Computer, Smartphones, Smartwatches oder Taschenrechner haben eines gemeinsam, sie arbeiten mit Bits. Ein Bit kann nur zwei Zustände annehmen: entweder eine [1] oder eine [0]. Diese beiden Zustände werden in den Prozessoren von heutigen Computern mit Strom dargestellt: „Strom an“ bedeutet [1] und „Strom aus“ [0].

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 selber 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 Zustands-Kombinationen, 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 soweit und es sind nur wenige Qubit-Zustände nutzbar. Doch selbst wenn man von nur zwei verschiedenen Zuständen ausgeht, die ein Qubit geichzeitig einnehmen kann, dann verdoppelt jedes dazu kommende 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 Ergebnis 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 Forscher experimentieren auch mit Photonen, also mit Lichtteilchen, als physikalische Umsetzung von Qubits.

Klingt alles verrückt? Ist es auch.

Die Physiker 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, ihre ungewöhnlichen Eigenschaften auch für Quantencomputer einsetzen zu können.

Frage 3:

Warum ist es so schwierig, einen Quantencomputer zu bauen?

Egal, mit welcher Methode Qubits realisiert werden, die Forscher stehen dabei immer vor großen technischen Herausforderungen. Ein grundlegendes Problem: Bewegung. Haben Teilchen eine bestimmte Energie, beginnen sie sich zu bewegen, umher zu wackeln. Ein Prinzip, dass wir als Wärme kennen. Damit man sie aber manipulieren und einfangen kann, müssen sie ruhig gestellt werden. Die Forscher müssen die Chips, auf denen die Ionenfallen oder Kreisströme aufgebracht sind, deshalb fast bis auf den absoluten Nullpunkt, der mit 0 Kelvin definiert ist, herunterkühlen. Das ist die tiefstmögliche Temperatur, in Celsius -273,15 Grad. Ihr nähern sich die Quantenchips bis auf wenige tausendstel Grad an. Es dauert Tage, bis ein Quantenchip von Zimmertemperatur auf seiner Betriebstemperatur angekommen ist. Dafür braucht es aufwendige und große Kühlmaschinen. Alleine das macht schon klar, warum es so schnell keine Quantenchips in Smartphones geben wird.

Qubits sind extrem empfindlich

Dann kämpfen die Forscher damit, dass die Qubits nicht stabil sind. Jede kleinste Störung zerstört ihren Quantenzustand. Sie müssen also gegen Erschütterungen, magnetische und elektrische Felder und alle anderen möglichen äußeren Einflüsse abgeschirmt werden. Aber egal, wie gut die Forscher und Ingenieure die Abschirmung hinbekommen, Qubits bleiben immer nur Bruchteile von Sekunden stabil. Die Berechnungen müssen also in dieser Zeit abgeschlossen sein. Um wirklich leistungsfähige und praktisch einsetzbare Quantencomputer zu bauen, müssen die Forscher die Anzahl der Qubits, die zusammen arbeiten, noch weiter erhöhen und gleichzeitig deren Fehleranfälligkeit reduzieren. Nur so können die Berechnungen schnell zu Ende gebracht werden, bevor die Qubits außer Kontrolle sind.

Noch sind Quantencomputer schwer zu programmieren

Da Quantencomputer nach ganz anderen Gesetzen funktionieren als unsere heutigen Computer, muss man auch das Programmieren völlig neu erfinden. In Quantencomputern kommt nämlich eine grundlegende Eigenschaft der Quantenphysik zu tragen: die Unschärfe. Erst, wenn ein Qubit genau ausgemessen wird, kann man es auch genau einem Zustand zuordnen. Davor ist sein Zustand lediglich eine Wahrscheinlichkeit. Man weiß also nicht, was das Qubit gerade macht. Wenn man es untersucht, erhält man nur eine einzige Antwort, die aber das Resultat von vielen gleichzeitig stattfinden Berechnungen ist.
Man kann das grob mit einem Becher mit Würfeln vergleichen: Solange der Würfelbecher geschüttelt wird, stoßen die Würfel in ihm immer wieder aneinander und an die Wand des Bechers. Von außen weiß man aber nicht, in welchem Zustand sie in jedem Augenblick sind. Erst wenn man den Würfelbecher umdreht und die Würfel auf der Unterlage liegen bleiben, kann man das Ergebnis der Augenzahlen „auslesen“. Beim Würfeln beeinflussen sich die Würfel unkontrolliert, das Ergebnis ist zufällig. Beim Quantencomputer ist dagegen die Kunst, die vielen Qubits mit ihren Wechselwirkungen so anzustoßen, dass am Ende kein zufälliges sondern ein sinnvolles Ergebnis ausgelesen wird.

Frage 4:

Wann werden Quantencomputer praxistauglich?

Google hat in diesem Jahr zum ersten Mal mit einem Quantencomputer mit 53 Qubits eine Berechnung sehr viel schneller durchgeführt, als es auf klassischen Supercomputern möglich wäre. Viele sprechen deshalb euphorisch von einem historischen Augenblick und vergleichen diese Leistung mit dem ersten Flug der Brüder Wright. Manche Forscher sind etwas zurückhaltender, da die Berechnung, die der Google-Quantencomputer durchgeführt hat, keine praktische Anwendung hat. Sie wurde so gewählt, dass sie von Quantencomputern besonders gut durchgeführt werden kann.

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 Forscher 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 Forscher frühestens gegen 2030. Manche Experten 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. Andere gehen sogar davon aus, dass es in absehbarer Zukunft keine praktisch anwendbaren Quantencomputern geben wird. Das zeigt, wie selbst Experten 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 10 Jahren solche Misch-Computer. 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.

Frage 5:

Werden Quantencomputer alle anderen Computer ersetzen?

So lange Quantencomputer aufwendig bis in die Nähe des absoluten Nullpunkts gekühlt werden müssen, werden sie wohl eher in Labors oder Rechenzentren zu Hause sein. Aber so wenig wie in den 1950er Jahren die rasante Entwicklung der Computertechnik vorhergesehen wurde, so wenig können wir uns heute über die Zukunft von Quantencomputern sicher sein. Nach unserem derzeitigen Wissensstand werden wir sie aber vermutlich erst einmal nicht für tägliche Aufgaben wie Textverarbeitung oder zum Abspielen von Videos einsetzen. Das beherrschen klassische Computer besser und vor allem mit deutlich weniger Aufwand. Quantencomputer werden sich vermutlich erst einmal an Aufgaben abarbeiten, an denen klassisch aufgebaute Supercomputer scheitern. Ob sie diese eines Tages komplett verdrängen oder sich auch in Zukunft gegenseitig ergänzen werden, ist heutzutage pure Spekulation.

Autoren: Ingo Knopf / Sebastian Funk

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7 Kommentare;

  1. Es gibt noch eine dritte Moegligkeit, die alte Mikroprozessorarchitektur grundsaetzlich zu aendern.
    Dafuer muss man dass menschliche Gehirn ansehen. Keine Taktfrequenz vo 3 GigaHz aber volle 30 Hz. Mumm, wie schaft das Gehirn dann alles ohne bei jede Frage 2 Monate in Urlaub zu gehen ?
    Sie glauben noch dass Sie selber ihre Gedanken waerend dass sprechen formuliern? Kann doch nich mit oben genannte geschwindichkeiten, alles lauft natuerlich anders.
    Wenn ihres Bewusstsein sich mit etwas beschaeftigt, dann steht alles auch immer gleichzeitig auf eine breite interne Bus und Busanlieger ueberpruefen dauernd ob ihre Einhalte gefragt werden.
    Also keine dumme Mikroprozessor mit eine winzige Zentralintelligenz fuer ein paar hundert Bytes, aber einen interne Breitbanbus (etwa 20.000 bits) und ein paar 100.000 Vergleicher.

    So jetz haben wir unsere 100 Millionen fach schnellere Prozessor.

  2. Ich habe eine Frage zu dem Thema. Koennte es sein, dass, wenn z.b. auch die Mobile-Telefone mit Quanten arbeiten, keine 5G Netze benoetigt werden? Ich habe absolut keine Ahnung von diesem Thema, verzeiht also bitte, falls die Frage unsinnig sein sollte. 🙂

    1. Die Rechengeschwindigkeit Ihres Smartphones hat ja nicht wirklich etwas damit zu tun, wie viel Datentransfer das Mobilfunknetz pro Zeiteinheit schafft. 5G erweitert die Bandbreite, also wenn man so will, den Tunnel, den Datenpakete passieren. Dann passen nicht mehr nur 3 Spuren pro Richtung, sondern vier in den Tunnel (Zahen sind nur Anschauungsbeispiele). Das ist wie beim Wlan, die Bandbreite 5GHz erweitert den 2,4 GHz-Bereich und eröffnet Datenpaketen eine weitere Spur, wenn man so will. Dadurch entstehen weniger Staus. Quantencomputer haben damit erstmal nicht so viel zu tun. Zumal der Netzausbau jetzt von Bedeutung ist und Quanten-Smartphones noch auf unbestimmte Zeit Zukunftsmusik. Aber vielleicht ein anschauliches Gleichnis: Stellen Sie sich 4G und 5G als Paketzusteller vor. 4G nutzt eine alte Straße, die zweispurig ist, 5G fährt auf der neu ausgebauten, 4-spurigen Autobahn. 4G kann an einem Tag 20 Pakete liefern. 5G kann Ihnen 100 Pakete liefern. Angenommen, Sie können (weil Sie so schnell wie ein Quantensmartphone sind) 50 Pakete am Tag öffnen. Dann ändert das nichts daran, dass 4G nur 30 Pakete liefern kann. Ohne leistungsfähigeren Paketzusteller, können Sie trotzdem nur 30 Pakete öffnen, obwohl ihre Kapazitätsgrenze 50 Pakete wären. Eine reine Hardwareveränderung von Smartphones ersetzt daher nicht die leistungsfähigere Übertragungsrate.

      1. Könnte eine Hardwareveränderung von Smartphones nicht dazu führen, dass das Smartphone die gleichen Ergebnisse bei geringerem Datendurchsatz liefert? Z.B. durch effizientere Komprimierung der Daten?

  3. Schöner Artikel! Schade nur dass Spin-Qubits basierend auf Halbleitern wie Silizium nicht erwähnt werden, obwohl diese vielversprechende Kandidaten sind sowohl in Bezug auf Skalierbarkeit als auch Betriebstemperaturen bis 4K

  4. Wer nicht utopisch denkt ,ist kein Realist.Bin begeistert, Dankbar von ganze Herzen Quarks,Zugang zu diese, und ähnliche Themen zu haben.
    Freundliche Grüße

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