Quantencomputer – Bald kein Science-Fiction mehr?

Jeder der sich für Science-Fiction interessiert wird in der einen oder anderen Form schon mal etwas von Quantencomputern gehört oder gelesen haben. Diese Maschinen können unglaubliche Rechenleistungen vollbringen oder eine künstliche Intelligenz darüber steuern. Und bald könnten sie zu unserem Alltag gehören. Klingt nach Utopie? Die ersten Prototypen gibt es schon seit einigen Jahren.

Was ist ein Quantencomputer überhaupt? Was unterscheidet ihn von einem herkömmlichen Computer?

Ein aktueller Computer erledigt seine Arbeit, indem er Befehle binär zerlegt und umsetzt. Es gibt also zwei Zustände: 1 und 0 – Strom an und Strom aus. Auch wenn durch die heutige Nanobauweise dabei schon erstaunliche Ergebnisse erzielt werden, so wirkt das doch im Vergleich zu den Möglichkeiten eines Quantencomputers eher wie der Unterschied zwischen Taschenrechner und Deep Blue.

CC BY-SA 3.0 D-Wave Systems Inc.

Damit haben wir aber noch nicht beantwortet, WAS denn nun der Unterschied zu einem Quantencomputer ist. Ganz einfach: Der Quantencomputer ist nicht darauf beschränkt mit zwei Zuständen zu arbeiten! In dem Prozessor kann die 1 auch gleichzeitig eine 0 sein und umgekehrt. Das ist eine Besonderheit auf der Quantenebene. Forscher haben dieses Paradox schon vor vielen Jahrzehnten entdeckt. In einem Atom können die Elektronen auf den Umlaufbahnen um den Atomkern von einer Bahn auf die “springen“. Allerdings nicht so, wie wir es uns jetzt vielleicht vorstellen aus dem Sportunterricht. Denn wenn wir springen, durchqueren wir “leeren“ Raum und landen an einem anderen Punkt. Das Elektron tut das nicht. Es “springt“ auf eine andere Umlaufbahn ohne den Raum zwischen den Bahnen zu durchqueren.

Teilchen auf der Quantenebene können deshalb zeitgleich mehrere Zustände einnehmen und so breitet sich Licht gleichzeitig teilchenförmig und wellenförmig aus, wie der Dopplertest beweist. Das nennt sich Welle-Teilchen-Dualismus. Der Dopplertest gilt heute als eines der wichtigsten Experimente in der Quantenphysik, da es eben dieses Prinzip verdeutlicht.

Bevor wir aber nun zu tief in die Welt der Quantenmechanik abrutschen, kommen wir wieder zurück zum Quantencomputer. Wie funktioniert er? Bislang versuchen die Forscher Arrangements von Ionen oder Atomen mit Lasern und elektrischen Feldern im Hochvakuum gezielt zu manipulieren. Auch mit Photonen, Supraleitern und sogenannten Quantenpunkten in Festkörpern wird eifrig experimentiert. Die ersten Quantencomputer stammen von der Firma D-Wave. Wie genau der D-Wave funktioniert, verrät die Firma natürlich nicht. Bekannt ist, dass der Prozessor auf Minus 273 °Grad heruntergekühlt werden muss. Das ist „nahe“ am absoluten Nullpunkt. Aktuell sind jedoch mit diesen ersten Prototypen noch keine intensiven Rechenaufgaben möglich. Aktuelle Computer, die für eine bestimmte Tätigkeit optimiert sind, rechnen derzeit bedeutend schneller. Doch die Technik steckt quasi noch in den Kinderschuhen und macht ihre ersten, unbeholfenen Schritte.

Da die Quantenbits, wie bereits erwähnt, mehrere Zustände gleichzeitig einnehmen können, kann ein Quantencomputer theoretisch weit mehr Werte verarbeiten als ein herkömmlicher Computer mit gleicher Bit-Zahl. © Amherst College

Zur Zeit ist das Thema Quantencomputer wieder im Trend, weil die Firma D-Wave angeblich den ersten funktionierenden Quantencomputer gebaut haben soll, der außerhalb einer streng kontrollierten Laborumgebung mehr kann als die Zahl 21 in ihre Faktoren zu zerlegen. Google und die NASA haben das Gerät in ihre Testcenter geholt um zu sehen ob dieser Computer den Durchbruch bringen könnte. Die Meinungen über D-Wave sind stark geteilt. Die einen glauben, dass die Quantentechnologie schon “morgen“ in unserem Wohnzimmer steht, andere halten den aktuellen 512-Qubit-Rechner für Schall und Rauch.

Auch wenn für viele Quantentheorie abstrakt und nicht nachvollziehbar vorkommt, so beruht sie doch auf einer exakten Mathematik und die Grundprinzipien sollten in Zukunft zur Allgemeinbildung gehören, so wie heute der Aufbau eines Atoms bekannt sein sollte.

Die Technologie ist keine Utopie, denn es gibt funktionierende Quantencomputer die diesen Namen allerdings kaum verdienen. Denn steuerbar sind sie aktuell nur mit sehr komplexen Codes und über Mikrowellenfelder, welche die Zustände der Ionen kontrollieren. Von Praxistauglichkeit kann man hier nicht einmal ansatzweise reden.

Doch wer weiß? Unsere Großeltern sind ohne Telefon groß geworden. Für unsere Eltern waren Farbfernseher und Heimcomputer in den Kindertagen kaum vorstellbar. Heute ist für jedes Kind das Smartphone, Tablet, der 3D Fernseher und Beamer schon nichts Besonderes mehr. Warum sollten in 20 oder 30 Jahren nicht auch Quantencomputer bei uns zu Hause stehen?