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Wirklich alles, was du über Quantencomputer wissen musst

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Quantenrechner hingegen nutzen die seltsamen Effekte der Quantenmechanik, die sogenannte Superposition: Qubits können nicht nur die zwei Zustände 0 und 1 annehmen, sondern auch ­beide Zustände gleichzeitig: In Bits entspräche es den Zuständen 00, 01, 10 und 11. Quantenrechner können mit diesen vier Zuständen gleichzeitig rechnen und somit auch mehrere Rechen­wege parallel einschlagen.

Ein Beispiel, bei dem das nützlich ist, ist das Problem des Handlungsreisenden – ein komplexes Optimierungsproblem der Informatik, das zum Beispiel in der Logistik und bei der Routenplanung eine große Rolle spielt. Bei diesem Problem soll ein Rechner die kürzeste Strecke für eine Rundreise durch mehrere Städte ausfindig machen. Klingt leicht und ist bei drei Städten noch überschaubar, aber bei zehn Städten steigt die Zahl der möglichen Routen auf mehrere Hunderttausende, bei 15 Städten schon auf Millionen. Ein Quantencomputer könnte mehrere Wege gleichzeitig berechnen – statt hintereinander – und so die optimale Reiseroute deutlich schneller finden. Ein weiteres Beispiel wäre die Suche in großen, nicht sortierten Datensätzen, etwa die Suche nach einem Namen im Telefonbuch, wenn man nur die Nummer kennt. Bei einer Million Einträgen müsste ein normaler Rechner mehrere 100.000 Vergleiche machen, während ein Quantenrechner mit seinen parallelen Rechenwegen mit etwa 1.000 Schritten auskäme.

Da Quantencomputer auf Quantenphysik basieren, können sie diese zudem exakt simulieren. Wollen Chemiker zum Beispiel neue Wirkstoffe oder Materialien am Rechner entwerfen, müssen sie die möglichen Eigenschaften deutlich abstrahieren, damit heutige Rechner damit zurechtkommen. Ein Quantenrechner wäre nicht auf mathematische Modelle angewiesen. Er würde das Molekül sozusagen in seiner Hardware imitieren und die Wechselwirkungen realistisch simulieren.

Diese Beispiele verdeutlichen, wo die Firmen IBM und ­Google die künftigen Einsatzgebiete ihrer Quantenrechner sehen. „Für uns gibt es drei große Themen: Pharmazie und Materialforschung, Supply Chain Management und Logistik und das Finanzwesen“, sagt IBM-Sprecher Michael Kiess. Ein weiteres Anwendungsgebiet sieht Georg Gesek von der Wiener Firma Novarion, die ebenfalls an Quantenrechnern forscht, bei sogenannten ­Digital Twins, dem exakten Nachbau großer Objekte am Rechner. Gesek sagt: „Will ich als Flugzeugbauer wissen, ob mein Flugzeug einen ­Looping fliegen kann, kann ich das am Rechner ausprobieren, weil ich es physikalisch korrekt abbilden kann.“ Auch Windräder ließen sich nachbauen. So könnte man den digitalen „Zwilling“ des Windrads mit dem realen in Echtzeit vergleichen, Abweichungen erkennen und Ausfälle vermeiden. Volkswagen interessiert sich für Quantenrechner bei den sogenannten Verkehrsflussvorhersagen: Wenn Autos künftig autonom auf ­Straßen unterwegs sind, könnten die Rechner den Verkehr in Echtzeit optimieren, beispielsweise die Autos so umleiten, dass deutlich weniger Staus auftreten.

Quantencomputer in der Praxis

So vielversprechend die Quantenrechner erscheinen, so mühsam ist es allerdings, sie für diese Anwendungen fit zu machen. Die heutige Situation erinnert an die Anfangsjahre des klassischen Computers, als Techniker mit Lochkarten raumgroße Maschinen bedienten. Wann die Quantenrechner ihre Versprechungen einhalten, ist also weit schwieriger zu beantworten als die Frage nach dem „ob“. Es ist sogar völlig unklar, welche Hardware sich durchsetzen wird.

Google und IBM nutzen supraleitendes Material für ihre Quantenbits. IBM kommt damit derzeit auf Rechner mit 16 bis 17 Qubits. Google ist bemüht, bis Ende des Jahres auf 50 zu kommen. Die Qubits existieren als kleine Inseln – oder isolierte Ladungen – auf einem Halbleitermaterial. Sie bleiben dort in einem stabilen Zustand, solange sie keine Energie haben, um sich zu verändern. Temperaturen von etwa minus 273 Grad Celsius sind notwendig, um die Qubits zumindest für kurze Zeit zu kontrollieren. ­Ein IBM-Forscher sagt: „Bei uns ist es kälter als im Weltraum.“

Darin zeigt sich eines der größten Hindernisse bei der Entwicklung universeller Quantenrechner: Um komplexe mathematische Probleme zu lösen, müssten selbst Quantencomputer viele Billionen Operationen abwickeln, was je nach Anwendung einer Laufzeit von einigen Minuten entspricht. Das ist zwar extrem schnell, aber die Systeme von IBM und Google schaffen wegen der Instabilität ihrer Qubits derzeit nur Laufzeiten von wenigen Mikrosekunden. Diese Laufzeiten können zwar nach und nach verlängert werden. Aber dafür benötigt der Rechner wiederum für jedes logische Qubit, mit dem ein Algorithmus arbeitet, mehrere physische Qubits, die lediglich ein Fehlerkorrektur-Verfahren leisten. Das treibt die benötigte Anzahl an Qubits und somit die Größe der Quantenrechner extrem in die Höhe. Die Kühlungstechnik ist zudem teuer. Der IBM- und Google-Ansatz hat allerdings den Vorteil, dass die Unternehmen bei der Herstellung der Chips auf herkömmliche Verfahren aus der Halbleiterindustrie zurückgreifen können.

An der Universität in Sussex arbeiten Forscher um Winfried Hensinger an einer Technik, mit der sie Ionen gefangen halten und mit Lasern befeuern, um die Ionen zu kühlen und als Qubits zu verwenden. Traditionell brauchte man für jedes Qubit einen eigenen Laserstrahl, um logische Operationen durchzuführen. Inzwischen gelang es den Forschern, logische Operationen der Qubits mittels elektrischer Spannungen durchzuführen, ähnlich wie bei klassischen Transistoren. Der Ansatz mit Ionen hat auch den Vorteil, dass das System bei Zimmertemperatur arbeitet. Auf der anderen Seite muss die Technik von Grund auf neu gebaut werden. „Alle Komponenten sind ungewöhnlich, und das erfordert harte Arbeit“, sagt Hensinger. Solche Komponenten arbeiten natürlich erst einmal nicht perfekt. Ein erster Prototyp werde zwei Jahre zur Fertigstellung brauchen.

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