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Quantencomputer, verständlich erklärt

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Quantencomputer? Schon das Wort ist so kompliziert! Warum sollte ich mich dafür interessieren?

Quantencomputer werden so einiges umkrempeln. Die Wirtschaft ist verrückt nach der neuen Technologie und die Politik langsam auch. Für die EU sind die Quantencomputer eine Forschungspriorität, für den deutschen Staat seit Kurzem eine Schlüsseltechnologie, in die ordentlich Geld hineinfließt. Weltweit leisten sich Firmenriesen wie Google und IBM einen Wettlauf um den ersten leistungsfähigen Quantencomputer. Ständig gibt es neue Fortschrittsmeldungen und Rekorde – und während du noch auf deinem Smartphone oder Laptop tippst, probieren Firmen wie Volkswagen und der Energiekonzern E.ON bereits erste Anwendungen für den Quantencomputer aus.

Schön für diese Firmen, aber ganz ehrlich: Ich habe gerade erst den Krypto- und NFT-Hype verarbeitet; muss ich jetzt wirklich auf diesen Technologie-Hype aufspringen?

Eine gesunde Portion Skepsis schadet nicht; am Ende dieses Textes wirst du hoffentlich wissen, wie angemessen der Hype um die Quantentechnologie wirklich ist. Fest steht: Digitalunternehmen, Banken, aber auch Staaten nehmen das bevorstehende Quantenzeitalter sehr ernst. Denn es geht nicht nur um wirtschaftliche Vorteile. Sondern auch um Sicherheit. Anfang Februar habe ich mich zum Kongress des Bundesamtes für Sicherheit in der Informationstechnik online eingeloggt. Bei dem Treffen sprach ein Experte darüber, wie wir unsere Kommunikation in Zukunft vor Quantencomputern schützen können. Denn die leistungsfähigen Quantenrechner könnten einen Großteil der im Internet verwendeten Verschlüsselung relativ leicht knacken. Das würde übrigens auch deine Mailkommunikation betreffen oder dein Online-Banking.

Jetzt wird mir die Bedeutung langsam klar! Gibts diese Quantencomputer denn schon?

Mit den Quantencomputern war es lange so wie mit den Kernfusionsreaktoren: Von der theoretischen Möglichkeit wussten Wissenschaftler:innen zwar. Sie wussten auch, dass diese Computer revolutionär sein würden, wenn man sie bauen könnte. Aber die Anwendungen blieben stets außer Reichweite. Denn Quantencomputer sind sehr empfindliche Instrumente: Man muss Störungen wie Wärme oder Handystrahlen sehr gut abschirmen, man muss sie gut einpacken. Doch selbst wenn das gelingt, gibt es immer noch grundlegende Schwierigkeiten, sie groß und leistungsfähig zu bauen. Lange Zeit war es daher fraglich, ob ein leistungsfähiger Quantencomputer überhaupt möglich wäre. Es war ein Traum, es war Science-Fiction: eine Maschine aus blauem Licht.

Blaues Licht?

Ja. Auf eine Interviewfrage aus dem Jahr 2016, wie er sich den Quantencomputer der Zukunft vorstelle, antwortete der chinesische Star der Quantenphysik, Jian-Wei Pan, das sei schwer zu beantworten. Mit einem Lächeln fügte er hinzu, er habe einmal von solch einem Quantencomputer der Zukunft geträumt: von einem wabernden Material, weder fest noch flüssig, das blaues Licht ausstrahlt. Diese Vorstellung ist auch unter Künstlern verbreitet, schließlich ist leuchtendes Blau die Farbe für Hightech, denn in der Natur findet man dieses Licht fast nicht.

Mittlerweile haben Quantencomputer die Schwelle vom Labor in die Praxis erreicht. 2021 hat die Bundesregierung beschlossen, zwei Milliarden Euro in die Entwicklung von Quantentechnologien zu pumpen. Das ist viel Geld, ein großer Batzen davon (mehr als die Hälfte) geht in die „Mission Quantencomputer“: In fünf Jahren soll in Deutschland ein Quantencomputer stehen, der es von der Leistung her mit internationalen Konkurrenten aufnehmen kann. Überall im Land sind Institute und Universitäten beteiligt: Einige Teams entwickeln bessere Speicher, andere forschen an verschiedenen Alternativen für die Quantenprozessoren, testen Chips, Kühlungen, Lichtleiter, Schnittstellen. In Ehningen in der Nähe von Stuttgart steht seit 2021 ein kleiner IBM-Quantencomputer. Und im Forschungszentrum Jülich ist Anfang dieses Jahres eine spezielle Art von Quantencomputer für Industrieanwendungen gestartet. Der kein Experiment mehr ist, sondern eine Arbeitsmaschine.

Welche Probleme sollen die Quantencomputer eigentlich lösen?

Quantencomputer versprechen, unsere modernen Supercomputer bei manchen Aufgaben zu schlagen und sogar Probleme zu lösen, für die unsere besten Computer Tausende Jahre brauchen würden. Die also bisher gar nicht lösbar sind. Die neuartigen Rechenmaschinen sollen etwa den Verkehr regeln, Strategien an der Börse verbessern, in der Medikamentenentwicklung helfen oder Stromnetze optimieren. Der Quantencomputer in Jülich soll ausschließlich Optimierungsaufgaben lösen. Das könnte zum Beispiel dazu dienen, im Straßenverkehr die kürzeste Route zu finden, wenn man eine große Anzahl an Adressen abklappern muss. So ließen sich Lieferketten verbessern.

Ich muss an dieser Stelle einmal nachfragen: Was sind Quantencomputer eigentlich? Einfach bessere Computer?

Den Eindruck könnte man zwar bei manchen Zeitungsartikeln oder Erzählungen über Quantencomputer bekommen. Das stimmt aber so nicht. Klar, Quantencomputer sind auch Computer, aber ihre besondere Funktionsweise macht sie für einige spezielle Aufgaben besonders geeignet. Interessant sind dabei Probleme, mit denen unsere klassischen Computer ziemlich zu kämpfen haben, weil wir keine Algorithmen gefunden haben, die effizient eine Lösung finden. Effizient heißt meistens: Wenn das Problem größer wird, dann darf der Aufwand nicht so krass eskalieren, dass es hunderte Jahre brauchen würde, die Lösung zu finden. Beim Beispiel der Lieferkette könnte das heißen: Ich will die optimale Route auch dann berechnen können, wenn ich nicht nur zehn Produktionsstätten verknüpfe, sondern hundert.


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Ein klassischer Computer, also so einer, den du gerade benutzt, rechnet mit sogenannten Bits. Ein Bit hat entweder den Wert eins oder null, elektronisch heißt das beispielsweise: Strom fließt – oder Strom fließt eben nicht. Die Schaltkreise im Prozessor (das ist die Recheneinheit eines Computers) führen die programmierten Algorithmen aus: Jeder Rechenschritt wandelt aneinandergereihte Einsen und Nullen in eine andere Reihe von Einsen und Nullen um. Bis schließlich die eine gesuchte Lösung herauskommt – falls der Prozessor überhaupt zu einer Lösung findet.

Statt mit Bits (eins oder null) rechnet ein Quantencomputer mit Quantenbits, oder kurz: Qubits. Diese Recheneinheiten können in einem gewissen Sinne eins und null gleichzeitig sein. Ja, du hast richtig gehört: gleichzeitig! Physiker:innen nennen dieses Phänomen quantenmechanische Überlagerung oder Superposition.

Genau wie klassische Bits können Qubits auf unterschiedliche Weise hergestellt werden. Ein Bit ist zum Beispiel in einem Kupferdraht umgesetzt als „Strom fließt“ oder „Strom fließt nicht“, in einer Festplatte aber als magnetischer Nordpol oder Südpol. Qubits wiederum kann man umsetzen mit Systemen, die die quantenmechanische Überlagerung zweier Zustände haben. Beispiele für solche Systeme sind: Supraleiter, Halbleiter, Lichtteilchen, einzelne Atome in Atomfallen.

Gleichzeitig eins und null? Ist das ein Witz?

Nein. Ich meine das todernst.

Okay, wenn es kein Witz ist: Wie kann das sein?

Hast du schonmal von Schrödingers Katze gehört? Von der Spezies her ist sie eine ganz normale Hauskatze, so wie diese hier.

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Dennoch ist sie besonders. Weil sie sozusagen das Maskottchen der Quantenmechanik darstellt. Die Quantenmechanik wird vor allem wichtig in der Welt der kleinen Dinge: Atome und so. Quantenmechaniker:innen fragen sich: Welche Eigenschaften haben kleinste Teilchen wie die Elektronen? Wie interagieren sie beispielsweise mit Licht? Dafür ist die Überlagerung von Zuständen ganz grundlegend: Ein radioaktives Atom etwa kann gleichzeitig in seinem Zustand „zerfallen“ und in seinem Zustand „noch nicht zerfallen“ sein – solange wir noch nicht gemessen haben, ob es schon zerfallen ist. Schrödingers Katze ist nun ein berühmtes Gedankenexperiment (1935 von dem Physiker Erwin Schrödinger erdacht), das diese Welt des Kleinen mit der Welt des Großen – die Welt der Katzen, unsere Welt – verbindet.

Erwin Schrödinger hat zweifellos bedeutende Beiträge zur Physik geleistet, allem voran hat er die Schrödinger-Gleichung aufgestellt, die für die Quantenmechanik zentral ist. Aber es gibt auch eine andere Seite, die in letzter Zeit ins Licht rückte: Schrödinger hat mehrfach Minderjährige sexuell missbraucht. Darum wird am Trinity-College in Dublin gerade diskutiert, einen Hörsaal umzubennen, der seinen Namen trägt. Bei der Gleichung und der Katze wird eine Umbenennung wohl so einfach nicht möglich sein.

Also ganz ehrlich: Ich verstehe es nicht.

So kompliziert ist es gar nicht: Stell dir vor, wir packen eine Katze in eine Kiste, zusammen mit einem Apparat, in dem ein radioaktives Atom steckt. Der Apparat funktioniert so: Zerfällt das Atom, löst dieser Zerfall einen Mechanismus aus, der einen Hammer auf ein Fläschchen Gift fallen lässt und die Katze vergiftet. Irgendwann muss die Katze also sterben. Das Seltsame an dieser Sache ist: Wenn das Atom in einer Überlagerung von „zerfallen“ und „nicht zerfallen“ steckt, ist die Katze in einer Überlagerung von „lebendig“ und „tot“. Sie ist tot und lebendig zugleich. Erst wenn man die Kiste öffnet und einen Blick auf die Katze wirft, entscheidet sich gewissermaßen in diesem Moment ihr Zustand: Finde ich als Betrachter eine tote Katze – oder eine lebendige?

Natürlich „entscheidet“ sich ein quantenmechanisches System nicht wirklich. Man muss sich die Überlagerung als sehr empfindlich vorstellen, wie eine dünne Kerzenflamme, wenn draußen ein Sturm tobt. Öffnet man die Kiste, bricht die Superposition zusammen. Wie das genau passiert, ist tatsächlich immer noch eine Forschungsfrage – es gibt sehr unterschiedliche Interpretationen von Schrödingers Katze. Hier ist ein Artikel, der neun verschiedene Perspektiven auf das Gedankenexperiment enthält. Schrödinger selbst wollte damit übrigens die Absurdität der gängigen Interpretationen der Quantenmechanik aufzeigen. Nimmt man es aber ernst, so zeigt es, dass eben nicht nur einzelne Atome – die wir uns sowieso nicht vorstellen können – in mehreren unterschiedlichen Zuständen sein können, sondern theoretisch auch große Objekte: Katzen eben, oder Computer.

Denn beim Quantencomputer ist das ganz ähnlich: Der ist beim Rechnen in einem fragilen quantenmechanischen Zustand, lebt also in mehreren Zuständen gleichzeitig. Beim Auslesen – also beim Aufmachen der Kiste, wenn wir bei der Schrödinger-Katze bleiben – finden wir den Computer mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit dann in einem der möglichen Zustände. Und der ist dann das Ergebnis unserer Rechnung.

Ich gebe zu: nicht leicht zu verstehen, die Sache mit der Katze und den gleichzeitigen Zuständen. Als Belohnung gibts das hier:

Man sieht ein sehr junges Kätzchen mit sehr großen Augen
Zur Entspannung: süß, süßer, Katzenbabys.

© Zoritsa Valova

Hier kommt ein kleine Entschuldigung bei denjenigen, die sich besser auskennen: Schon im Physikstudium musste ich schwören, niemals Metaphern für die Quantenmechanik zu verwenden, sonst würde ich meine Physiklizenz und meinen dienstlichen Federkraftmesser verlieren. Naja, ganz so schlimm ist es nicht, aber Physiker:innen sind in der Regel zu Recht zurückhaltend mit anschaulichen Bildern. Denn die Quantenmechanik hat ein solides mathematisches Fundament, das mit fantastisch hoher Genauigkeit Vorhersagen macht für das Verhalten von Atomen, Atomkernen und den noch kleineren Elementarteilchen. Aber anschaulich ist das nicht: Für Phänomene wie die Superposition finden wir in der Welt, die wir direkt wahrnehmen, nichts Vergleichbares.

Das klingt alles sehr seltsam.

Ich weiß, ich weiß. Aber so funktioniert eben ein Quantencomputer: Während er rechnet, befindet er sich in einer quantenmechanischen Überlagerung, die aus mehreren Zuständen besteht, und zwar gleichzeitig! Das ist ein riesiger Unterschied zu einem klassischen Computer. Denn der ist zu jedem Zeitpunkt in genau einem eindeutig messbaren Zustand aus Einsen und Nullen, zum Beispiel: 1000. Im nächsten Rechenschritt dann vielleicht im Zustand 1001. Aber ein Quantencomputer kann gleichzeitig in mehreren sein: 1000 und 1011 und 0101 und so weiter. Prinzipiell kann die Maschine in jedem möglichen Zustand gleichzeitig sein.

Und das ist auch der Grund, wieso Quantencomputer so mächtig sind: Die Informationen, die in der Maschine stecken, verdoppeln sich mit jedem hinzugefügten Qubit. Weil sozusagen eine Kopie aller Zustände mit dem neuen Qubit im Zustand 0 und eine im Zustand 1 hinzu kommt.

Es steckt also viel mehr Information drin als in einem klassischen Computer:
Ein 1-Qubit-Quantencomputer kann gleichzeitig 0 und 1 sein.
Ein 2-Qubit-Quantencomputer kann gleichzeitig 00, 01, 10 und 11 sein.
Ein 3-Qubit-Quantencomputer kann gleichzeitig 000, 001, 010, 100, 011, 101, 110 und 111 sein.

Da die Anzahl dieser gleichzeitigen Zustände exponentiell mit der Qubit-Anzahl wächst, eskaliert das sehr schnell. Exponentielles Wachstum kennen wir ja aus der Corona-Pandemie: Am Anfang, bei kleinen Zahlen, scheint es harmlos, doch wenn sich die Fallzahlen verdoppeln, sind schnell die Intensivstationen überlastet.

Einen Quantencomputer mit bis zu 20 Qubits kannst du noch auf deinem Laptop simulieren – meistens wird das „emulieren“ genannt. Für 40 Qubits brauchst du schon einen richtig krassen Supercomputer. Ab 50 Qubits kommen auch die Supercomputer mit dem Emulieren nicht hinterher. Und für 300 Qubits würden wahrscheinlich alle Atome des bekannten Universums nicht ausreichen, um die gleichzeitig eingenommenen Zustände abzubilden. (IBM hat im November 2021 seinen „Eagle“ mit 127 Qubits vorgestellt – der derzeit wohl größte programmierbare Quantencomputer.)

Aber was nützen diese Zustände?

Ein Problem könnte zum Beispiel sein: Du willst einen bestimmten Text in einer vorher nicht sortierten Datenbank finden. Stell dir den Computer als Bibliothekar vor. Der soll nun das Buch finden, in dem der Text steckt, den du suchst. Das Buch befindet sich aber in einem Lagerraum in einem Regal, in dem zusammengewürfelt viele Bücher mit unleserlicher Buchrückenaufschrift stehen. Ein klassischer Bibliothekar (den es ja tatsächlich gibt, in echt) muss nun ein Buch nach dem anderen aus dem Regal ziehen, bis er das richtige gefunden hat. Das kann bei einem sehr großen Regal sehr lange dauern. Ein Quantenbibliothekar hingegen verschwindet in dem Lagerraum und kann gleichzeitig in verschiedene Bücher reinschauen, prinzipiell sogar in alle gleichzeitig. Weil er sich ja in mehreren Zuständen gleichzeitig bewegt, als Kopien seiner selbst, sozusagen.

Also findet er die Lösung sofort?

Damit ist es leider nicht getan, denn der Quantenbibliothekar müsste das richtige Buch ja auch erkennen, oder anders gesagt: Die Kopie des Bibliothekars mit dem richtigen Buch müsste sich durchsetzen, also als erstes das Lager verlassen. So wie du die Schrödingerkatze beim Öffnen der Box entweder lebendig oder tot findest, wird dir der Quantenbibliothekar am Ende nur ein einziges Buch geben, denn sobald er aus seinem Lager herausgekommen ist, muss die Superposition verschwunden sein. Und genauso spuckt auch ein Quantencomputer beim Auslesen nur eine Antwort aus. Wenn aber in der quantenmechanischen Überlagerung alle Antworten zuvor gleichermaßen vorhanden sind, dann gibt es für jede mögliche Antwort am Ende die gleiche Wahrscheinlichkeit. Jede falsche Antwort wäre dann so wahrscheinlich wie die richtige.

Das klingt total nutzlos.

Wie ein länglicher Kronleuchter sieht das Innenleben des Quantencomputer aus, aufgehängt an der Decke. Fünf Scheiben aus goldenem und silbernem Metall bilden die Etagen des Kronleuchters, dicke Stränge von Kupferdrähten winden sich von oben herab bis unten zur Spitze.
Das Innenleben des D-Wave-Quantencomputers in Jülich: Dieser Aufbau wird umhüllt und in einen extremen Kühlschrank gesteckt, der den Computer auf -273 Grad Celsius kühlt.

© D-Wave

Das wäre in der Tat nutzlos, und darum muss man Quantencomputer eben doch clever programmieren. Der Quantenphysiker Stefan Filipp vom Walther-Meißner-Institut in Garching, mit dem ich für diesen Text gesprochen habe, hat dafür ein hübsches Bild parat: Stell dir einen ruhigen, leicht gekräuselten See vor. Der See steht für die Lösungsmöglichkeiten, die der Quantencomputer untersucht. Nun wirfst du Steine hinein. Wellen entstehen, kreuzen sich, an manchen Stellen treffen Wellenberge auf Wellentäler und glätten sich aus, an anderen Stellen treffen Wellenberge auf Wellenberge und kombinieren sich zu noch höheren Wellenspitzen. In diesem Bild ist die Kunst des Quantencomputer-Programmierens, die Steine so zu werfen, dass die höchste Wellenspitze an der Stelle auftaucht, an der das richtige Ergebnis liegt. Es geht also darum, die Qubits so zu programmieren, dass am Ende die richtige Antwort mit hoher Wahrscheinlichkeit rauskommt.

Was soll das heißen, mit hoher Wahrscheinlichkeit?

Bei deinem Computer erwartest du ja, dass er mehr oder weniger perfekt läuft. Wenn du zum Beispiel diese Seite im Netz aktualisierst, sollte immer derselbe Text erscheinen. Oder: Wenn du in deinen Taschenrechner drei mal fünf eintippst, sollte immer 15 rauskommen, sonst ist dein Taschenrechner ziemlicher Schrott.

Bei Quantencomputern müssen wir uns von dieser Vorstellung lösen. Die richtige Lösung bekommen wir nur mehr mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit, oder wir kommen nur in die Nähe der richtigen Lösung. Tatsächlich reicht es aber oft, wenn die richtige Antwort wahrscheinlicher ist als alle anderen. Dann kann man die Rechnung, die irre viel schneller läuft, einfach mehrmals hintereinander ausführen und die häufigsten Treffer als Ergebnis werten.

Jetzt aber mal Schluss mit der ganzen Theorie: Werde ich einen Quantencomputer denn irgendwann zuhause haben?

Die kurze Antwort: wahrscheinlich noch lange nicht. Eine gängige Vorstellung unter Wissenschaftler:innen ist, dass Quantencomputer zunächst in Kombination mit klassischen Hochleistungsrechnern eingesetzt werden. Die stehen dann also in Rechenzentren in einem extra Gebäude, so wie der Quantencomputer im Jülicher Rechenzentrum. Die klassischen Superrechner schicken dann die Teile des Problems an den Quantenprozessor, der dieser besonders effizient lösen kann. Ein Quantenprozessor würde dann ähnlich funktionieren wie eine Grafikkarte. Denn auch eine Grafikkarte übernimmt spezielle Aufgaben, die sie aufgrund ihrer Bauart besser lösen kann als der Hauptprozessor. Zum Beispiel das Rendern von Videos oder das Schürfen von Bitcoins.

Auf eine mögliche, unverhoffte Entwicklung hat mich Krautreporter-Mitglied Jan gebracht: Man sollte die Gamingbranche nicht unterschätzen. Denn damit es der Quantenprozessor in den Desktop oder den Laptop schaffe, brauche es dafür eine Anwendung: Texte schreiben und Web browsen benötigen nicht viel Leistung, rechenintensive Prozesse wie Navigation finden meist in der Cloud statt – da bleibt fast nur noch Gaming übrig. Und dafür seien einige Leute ja auch bereit, viel Geld auszugeben. Vielleicht kann ein Quantenprozessoren irgendwann Videospiele besser animieren? Gar nicht so abwegig, schließlich hat die Gamingbranche auch die Entwicklungen der Grafikkarte vorangetrieben. Aber das ist noch spekulativ.

2019 veranstaltete IBM einen Quantencomputer-Gamejam, bei dem Entwickler:innen Spiele für Quantencomputer oder zumindest quanteninspirierte Spiele programmierten. Wer noch nicht genug von Schrödingers Katze hat, kann dieses Spiel ausprobieren, das während des Gamejams entstanden ist.

Ab wann werden die Quantencomputer nützliche Rechnungen machen können?

Optimisten gehen davon aus, dass wir Ende des Jahrzehnts vielfältig einsetzbare und leistungsfähige Quantencomputer haben werden. Dafür braucht es mindestens 1000 Qubits – und zwar „gute“ Qubits. Das heißt solche, die Rechenoperationen mit hoher Wahrscheinlichkeit korrekt ausführen, die also nicht so fehleranfällig sind. Ein Qubit sei zum Beispiel nur dann „gut“, sagt der Quantenphysiker Stefan Filipp, wenn höchstens etwa eine aus tausend Rechenoperationen schiefgehe.

Denn die Fehler sind das größte Problem. Alles um uns herum strahlt Wärme ab. Dein Handy sendet Abermilliarden Lichtteilchen aus. Ein einzelnes Lichtteilchen, das auf ein Qubit stößt, könnte es stören. Zu viel Störung und der fragile Quantenzustand bricht zusammen – dann hat man die Kiste mit der Katze zu früh aufgemacht. In Jülich steht der Computer in einem extra Gebäude, schwingungsgedämpft aufgehängt, abgeschirmt, heruntergekühlt auf unter minus 273 Grad Celsius, und trotzdem: Die Störung von außen lässt sich nicht ganz abschirmen.

Die besten programmierbaren Quantencomputer haben heute zwischen 50 und 100 Qubits, noch weit von den 1.000 entfernt. Der Jülicher Quantencomputer liegt mit mehr als 5.000 Qubits nicht in einer anderen Liga, sondern stellt quasi eine andere Sportart dar. Denn es kommt nicht nur auf die Anzahl der Qubits an, sondern eben auch auf die Eigenschaften: Wie gut sind die Qubits miteinander verbunden? Wie gut lassen sie sich programmieren? Die 5.000 Qubits des Jülicher Quantencomputers lassen sich gar nicht einzeln programmieren und steuern, somit kann man diesen Computer auch nicht mit einem frei programmierbaren Quantencomputer vergleichen.

Aber vorher hast du doch gesagt, dass schon 50 Qubits mehr Informationen enthalten, als ein Supercomputer verarbeiten kann. Sind die Quantencomputer also nicht heute schon den klassischen Rechnern überlegen?

Das stimmt zur Zeit höchstens für ein paar sehr konstruierte Probleme. Also solche, die eigentlich keinen praktischen Nutzen haben, aber ausgewählt wurden, weil Quantenrechner darin besonders gut sind. 2020 verkündete eine chinesische Gruppe, mit einem lichtbasierten Quantencomputer eine Rechnung durchgeführt zu haben, für die ein klassischer Supercomputer 600 Millionen Jahre bräuchte. Ein anderes Beispiel: 2019 hatte Google verkündet, sein Quantencomputer Sycamore mit 53 Qubits habe ein Problem gelöst, für das der damals weltbeste Supercomputer 10.000 Jahre brauchen würde. Der Konkurrent IBM widersprach daraufhin: Der Supercomputer könne dasselbe Problem in zweieinhalb Tagen lösen. Das zeigt auch, dass es gar nicht so einfach ist zu sagen, wann ein Quantencomputer tatsächlich überlegen ist: Vielleicht haben wir für dieses spezielle Problem nur noch keinen effizienten klassischen Algorithmus gefunden.

Mit der Quanteninformatikerin Kristel Michielsen habe ich unter anderem über den Vorteil des Jülicher Quantencomputers gesprochen. Sie erklärte mir, das Feststellen eines Quantenvorteils sei eher von akademischem Interesse. Für praktische Anwendungen sei entscheidend, dass der Quantencomputer Ergebnisse liefere, die nützlich sind.

„Solch ein Optimierungsproblem hat eine mathematisch optimale Lösung. Für praktische Anwendungen muss man die nicht haben. Man ist zufrieden mit einer Lösung, die besser ist, als die Lösung, die man schon hatte.“ Es sei für ein Unternehmen beispielsweise egal, ob die Lieferroute, die der Quantencomputer berechnet, wirklich die mathematisch betrachtet kürzeste ist. Hauptsache, die neue Route ist kürzer als die bisherige. Außerdem, argumentiert Michielsen, spielten neben der Rechengeschwindigkeit auch noch andere Kriterien eine Rolle. Der Stromverbrauch zum Beispiel: Der Jülicher Quantencomputer etwa brauche nur einen Bruchteil der Energie eines Supercomputers.

Also machen Quantencomputer die Welt am Ende doch besser!

Das können sie auf jeden Fall, denn Quantencomputer sind gut für spezielle Anwendungen, die uns aber auch bei großen Problemen der Gegenwart weiterhelfen können. Die Frage nach den ersten praktischen Anwendungen, meinte Stefan Filipp, sei aber schwer zu beantworten. Eine der vielversprechendsten Anwendungen sei die, bei der die Quantenmechnanik sowieso eine Rolle spielt: bei der Simulation von Molekülen in der Chemie oder in den Materialwissenschaften. Weitere Anwendungen seien dann eine Frage der Innovation.

Der Quantencomputer-Experte Scott Aaronson drückte es in einem Podcast so aus: „Einen sehr bizarren Hammer“ gebe uns die Natur mit dem Quantencomputer. Und es sei eine glückliche Fügung, dass wir ab und zu doch einen Nagel fänden, für den dieser Hammer zu gebrauchen sei.


Redaktion: Esther Göbel, Schlussredaktion: Susan Mücke, Bildredaktion: Philipp Sipos, Audioversion: Iris Hochberger und Christian Melchert

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