Wie funktioniert ein Quantencomputer?

In der Quantenebene gelten andere Regeln: Katzen können gleichzeitig leben und tot sein; Heisenberg sagt, alles ist unbestimmt und Teilchen sind nicht nur Teilchen, sondern auch Wellen. Das klingt zunächst kurios, doch diese Eigenschaften können exakt mathematisch beschrieben und so für verschiedene Technologien eingesetzt werden.

Details zu quantenphysikalischen Prinzipien und Informationen dazu, für welche Technologien diese noch genutzt werden können, lesen Sie in diesem Artikel: „Das müssen Sie über Quantentechnologie wissen“.

Dazu gehören auch Quantencomputer, auf die wir in vorliegendem Artikel genauer eingehen. Hier werden Elementarteilchen als Informationsträger genutzt. Da Elementarteilchen mehrere Zustände überlagern können (das ist das mit Schrödingers Katze beziehungsweise das Prinzip der Superposition), können Sie mehrere Informationen gleichzeitig liefern.

Diese Elementarteilchen nennt man Quantum Bits, kurz: Qubits. Diese Qubits sind also nicht beschränkt auf die Werte 0 und 1, wie es bei den Bits in klassischen binären Computern der Fall ist. Das verschafft Quantencomputern einen enormen Vorteil.

Warum Quantencomputer besser sind als binäre Supercomputer

Die Energiezustände der Elementarteilchen in einem Speichermedium werden mittels Laser oder Magnetfeldern manipuliert.

Außerdem werden die einzelnen Qubits miteinander verschränkt, wodurch ihre Zustände voneinander abhängen und ein großer Informationsträger entsteht. Dank des Superpositionsprinzips können die so angeregten Quantenzustände gleichzeitig alle möglichen Lösungen eines Problems darstellen.

„Allerdings ist es knifflig, die gesuchte Lösung auszulesen“, schränkt Professor Tommaso Calarco, Direktor des Institute for Quantum Control am Forschungszentrum (FZ) Jülich, ein. „Denn der Quantenzustand repräsentiert nur so lange alle möglichen Lösungen, bis er gestört wird. Dann stellen die Qubits nur noch eine einzige Lösung dar.“ Dabei ist die Wahrscheinlichkeit, welcher Zustand bei dieser Störung (dem Auslesen der Information) eintritt, nicht gleich verteilt. Daher benötigen diese Art Rechner auch sehr spezielle Algorithmen – mehr dazu später.

Warum lohnt sich dieser Aufwand aber? Da Qubits eben nicht einfach nur 0 oder 1 sein können, sondern auch alle Kombinationen dazwischen, sind Quantencomputer im Vergleich zu binären Rechnern extrem schnell.

Und jedes Qubit, das zu einer existierenden Verschränkung hinzukommt, verdoppelt die Rechenleistung des Systems. So bieten 250 Qubits, wenn sie eines Tages erreicht werden, eine Rechenleistung von 1.080 binären Bits. Das entspricht einer Anzahl möglicher Zustände, die größer ist als die Summe aller Atome im Universum.

Mit dieser Überlegenheit brillieren Quantenrechner schon heute bei der Lösung von Optimierungsproblemen – etwa bei der Frage, wie die Arbeitsabläufe von Robotern gestaltet werden müssen, sodass sie in kürzester Zeit mit dem geringsten Energieeinsatz möglichst viele Teile in höchster Qualität produzieren. Binäre Rechner stoßen bei solchen Aufgaben an Grenzen.

„Denn um ein doppelt so großes Optimierungsproblem zu lösen, braucht es keinen doppelt so großen Computer“, erklärt Dr. Alfred Geiger, Leiter der Abteilung Scientific Computing bei T-Systems. „Vielmehr steigt die erforderliche Rechenleistung exponentiell mit der Größe des zu lösenden Problems.“ Auch finden klassische Computer immer nur eine Lösung, die der besten Antwort nahekommt – aber nie die wirklich optimale Lösung.

„Da ein Quantencomputer dank Superposition und Verschränkung jedoch immer den kompletten Lösungsraum abbildet, kommt er nicht nur schneller zu einem Ergebnis, sondern findet auch die absolut beste Lösung. Vorausgesetzt, er rechnet mit einer ausreichend großen Zahl von Qubits“, ergänzt Geiger. Da es sich bei einem Großteil der Probleme, die es in einer digitalisierten und vernetzten Welt zu lösen gelte, um Optimierungsprobleme handele, gibt es auch genügend Aufgaben für Quantenrechner.

Was die Herausforderungen bei der Entwicklung von Quantencomputern sind

Damit die Rechenleistung von Quantencomputern auch genutzt werden kann, müssen Quantenchips unter idealen Bedingungen betrieben werden. Bereits kleine Umwelteinflüsse stören die Arbeit der Qubits.

„Wenn ein Elementarteilchen gegen ein anderes stößt, ist das wie eine Messung“, erläutert Professor Christian Bauckhage vom Fraunhofer Institut für Intelligente Analyse- und Informationssysteme (IAIS). „Die Superposition des Teilchens bricht zusammen. Es trägt nicht mehr zur Rechenleistung bei.“ Dabei werden Elementarteilchen umso empfindlicher, desto mehr von ihnen einen Zustand teilen.

Qubits fallen zudem bereits im Bruchteil einer Sekunde aus der Superposition heraus. IBM schafft es, Elementarteilchen 90 Mikrosekunden in der Superposition zu halten – Fachleuten zufolge eine Spitzenleistung.

Wie verhindert wird, dass Qubits gestört werden, ist unter anderem abhängig von der Art des Quantencomputers. Entweder kühlen Hersteller den Quantenchips bis nahe an den absoluten Nullpunkt ab. Dort bewegt sich Materie nicht mehr und Ströme fließen ohne Widerstand, also störende energetische Einträge, durch die supraleitenden Materialien. Oder bei der Ionenfalle stellt eine Vakuumkammer die absolute Ruhe her. Bei photonischen Qubits müssen solche Maßnahmen aufgrund der speziellen Eigenschaften der Wellenleiter nicht ergriffen werden.

„Derart störungsfreie Arbeitsbedingungen für Qubits zu schaffen und die Rechner immer kleiner und günstiger zu machen, ist ein Engineering-Problem“, weiß Bauckhage. Doch sowohl Forschung und Entwicklung arbeiten fleißig an dieser Problemstellung und haben schon erste Erfolge erzielt.

Beispielsweise ist in Deutschland schon ein erster Rechner in Betrieb, der von Unternehmen genutzt werden kann. Mehr dazu hier: „Erster europäischer Quantencomputer ist in Betrieb“.

Warum Quantenrechner andere Algorithmen brauchen

Eine spezielle Herausforderung sind aber auch die Algorithmen, die für Berechnungen auf Quantencomputern genutzt werden, da Sie mit den speziellen Eigenschaften der Quanten umgehen können müssen. Denn die Operatoren AND, OR, NOT der binären Informatik, können nicht darstellen, dass Qubits zwei gegensätzliche Informationen zur selben Zeit tragen können.

Außerdem müssen Algorithmen für Quantencomputer erkennen, wann Qubits mit der größten Wahrscheinlichkeit in den Zustand kollabieren, der die Kriterien einer optimalen Lösung vollständig darstellt. Und sie müssen dafür sorgen, dass Lösungen, die diese Anforderungen nicht erfüllen, mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit gemessen werden.

Bauckhage erklärt, dass dies in einem Prozess geschehe, an dessen Anfang jede Lösung gleich wahrscheinlich ist, bei dem aber bereits nach wenigen Rechenschritten einige Lösungen weniger wahrscheinlich geworden sind und an dessen Ende die Messung des Quantensystems mit der größten Wahrscheinlichkeit nur noch die Lösung erkennt, die der optimalen Antwort am besten entspricht.

Solchen Quantenalgorithmen widmen sich auch viele Forschungsprojekte und einige Start-ups in Deutschland. Eine Übersicht über deutsche Quantentechnologie-Start-ups finden Sie hier: "Das sind Deutschlands Quanten-Start-ups und ihre Produkte"

Mit zusätzlicher Recherche von Gerd Meyring