Quantencomputer: Science-Fiction oder schon Realität?

Quantencomputer – das klingt immer noch nach Science-Fiction. Doch bei der Firma D-Wave scheint man solche Maschinen schon ab Stange kaufen zu können. Gibt es nun Quantencomputer oder doch nicht? Wir haben nachgeforscht.

Im November veröffentlichte Google das Video «Google and NASA's Quantum Artificial Intelligence Lab» und gab Einblick in das Quantenlaboratorium, das Google zusammen mit der amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA und der USRA betreibt, einer Organisation zur Förderung der Raumfahrt. Herzstück dieses Labors ist ein D-Wave Two Computer, den die kanadische Firma D-Wave auf ihrer Webseite stolz als «ersten kommerziellen Quantencomputer» vorstellt.

Die Idee des Quantencomputers ist keine neue: Schon 1981 schlug der amerikanische Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynman vor, Probleme der Quantenphysik am besten mit einem Quantencomputer zu simulieren. Doch ein kommerziell nutzbarer Quantencomputer, den man bei einer Firma wie D-Wave scheinbar ab Stange kauft, schien bis eben noch viele Jahre entfernt. Und ist es vielleicht immer noch, denn Daniel Loss, Quantenprofessor an der Universität Basel und ein Pionier in Sachen Quantencomputer, schreibt auf Anfrage: «Es gibt leider noch keinen Quantencomputer, egal was Google gekauft haben mag.»

Die Katze in der Stahlkammer

Also was nun? Wer beweisen will, ob ein Computer ein Quantencomputer ist oder nicht, steht vor einem Problem: Die von einem solchen Rechner genutzten Eigenheiten der Quantenmechanik spielen sich nicht in einer Menschen unmittelbar zugänglichen Umgebung ab, sondern im winzig Kleinen, auf der Ebene von Atomen und Elektronen. Erschwerend kommt dazu: Damit diese Quanteneffekte stattfinden, muss die Recheneinheit des Computers so gut wie möglich von der Aussenwelt isoliert sein. Was letztlich bedeutet: Zwar weiss man, welches Problem dem Computer eingegeben wird und kennt auch die Lösung, die er ausspuckt – aber darüber, mit welchen Mitteln der Computer auf diese Lösung kam, lässt sich nur spekulieren.

Der 512 Qubit Prozessor eines D-Wave Two Quantencomputers.

Bildlegende: D-Wave 512 Qubit Prozessor: Damit die Qubits ihre quantenmechanischen Zustand nicht verlieren, muss der Prozessor von der Aussenwelt isoliert sein. D-Wave

Einer der wichtigsten quantenmechanischen Zustände, denen sich ein Quantencomputer bedient, ist das Superpositionsprinzip. Demnach kann ein Teilchen gleichzeitig zwei Zustände haben. Das eigentlich Unmögliche wird gerne mit dem Beispiel von Schrödingers Katze verdeutlicht: In dem Gedankenexperiment wird eine Katze in eine von aussen nicht einsehbare Stahlkammer gesperrt, zusammen mit einem Mechanismus, der nach gewisser Zeit mit 50 prozentiger Sicherheit zum Tod des Tiers führt. Das heisst, dass die Katze dann mit gleicher Wahrscheinlichkeit entweder tot oder lebendig ist – erst wenn die Stahlkammer geöffnet wird, lässt sich der tatsächliche «Zustand» der Katze feststellen.

Null, Eins – oder beides gleichzeitig

Quantencomputer nutzen das Superpositionsprinzip zur Informationsverarbeitung. Während bei einem klassischen Computer die kleinste Informationseinheit – ein Bit – entweder Null oder Eins ist, kann ein Qubit – die kleinste Informationseinheit des Quantencomputers – Null, Eins oder beides zugleich sein. So wie auch Schrödingers Katze tot, lebendig und beides gleichzeitig sein kann.

Qubits bleiben aber nur im Zustand der Superposition, solange sie von der Aussenwelt isoliert sind. Sobald das Resultat einer Qubit-Rechnung ausgelesen wird – wenn also jemand den Deckel der Stahlkammer lupft –, verlieren sie ihre quantenmechanischen Eigenschaften. Sprich: Statt Null und Eins gleichzeitig können sie nur noch das eine oder andere sein, so wie auch Schrödingers Katze nur noch tot oder lebendig ist, sobald jemand nachschaut.

D-Waves Behauptung, mit dem D-Wave Two einen einsatzfähigen Quantencomputer mit 512 Qubits gebaut zu haben, stiess deshalb in Fachkreisen auf einiges Misstrauen. Ein Team um den Physiker Matthias Troyer von der ETH Zürich versuchte die Frage zu klären, ob es sich beim D-Wave Two tatsächlich um einen Quantencomputer handelt und liess die Maschine im Problemlösen gegen zwei klassische Computer antreten. Troyer kam zum Ergebnis, es gebe keine Anzeichen, dass der D-Wave Two dank Quantenmechanik schneller rechne.

Der Experimentalphysiker Klaus Ensslin in seinem Forschungslabor.

Bildlegende: Herr über 33 Schweizer Forschungsgruppen: Klaus Ensslin von der ETH Zürich leitet den nationalen Forschungsschwerpunkt «Quantum Science and Technology». ETHZ

Sein Kollege Klaus Ensslin, der den nationalen Forschungsschwerpunkt «Quantum Science and Technology» leitet, zeigt im Interview mit SRF Digital zwar grossen Respekt vor D-Waves Leistung – «Hut ab!» – meint aber auch: «Im Moment ist der D-Wave Two wahrscheinlich noch kein echter Quantencomputer».

Was soll man so einen Computer fragen?

Troyers Studie blieb in Fachkreisen nicht unbestritten. Googles Director of Engineering Hartmut Neven etwa sah den D-Wave Rechner in einer bestimmten Art von Problemen den herkömmlichen Rechnern weit überlegen. Andere Studien kamen zum Schluss, die zu lösenden Probleme seien sowieso die falschen gewesen und der Vergleich sei deshalb bedeutungslos.

Mit welchen Problemen man einen Quantencomputer am besten füttert scheint tatsächlich eine noch weitgehend offene Frage. Ein Quantencomputer – jedenfalls so wie man ihn sich heute vorstellt – ist nicht wie der PC auf dem Arbeitstisch ein Universalrechner, den man für alle möglichen Aufgaben brauchen kann. Ein Quantencomputer hat nur einen spezifischen Zweck, kann jeweils nur eine spezifische Aufgabe lösen. Und für die muss erst noch jedes Mal die richtige mathematische Form gefunden werden, damit sie von den Qubits auch wirklich «verstanden» wird.

Optimale Einsatzpläne für Astronauten im Weltall

Bei der NASA hofft man, mit dem D-Wave Two «schwere Optimierungsprobleme» lösen zu können, an denen herkömmliche und selbst Supercomputer scheitern. Rupak Biswas ist als Chef der NASA Advanced Supercomputing (NAS) Division für den Betrieb des Quantencomputers zuständig. Er nimmt das Problem des Handelsreisenden als Beispiel, um zu illustrieren, was mit schweren Optimierungsproblemen gemeint ist: Für den Handlungsreisenden besteht die Aufgabe darin, die Abfolge für den Besuch mehrerer Orte so zu wählen, dass seine gesamte Reisestrecke nach der Rückkehr zum Ausgangsort möglichst kurz war.

Ein D-Wave Two Computer steht in den kargen Räumlichkeiten der NASA.

Bildlegende: Quantencomputer oder nicht? Die NASA hofft mit dem D-Wave Two schwere Optimierungsprobleme zu lösen, an denen selbst Supercomputer scheitern. NASA

Bloss sind es bei der NASA keine Handlungsreisenden, deren Routen optimal geplant werden, sondern Astronauten im Weltall, deren Einsatzpläne so optimiert werden müssen, dass es möglichst wenig Leerlauf gibt. Einsatzpläne, bei denen so viele Faktoren eine Rolle spielen, dass ein herkömmlich rechnender Computer dafür nur mit langer Rechnungszeit eine optimale Lösung finden würde – oder gar nicht. Dank Effekten wie dem Superpositionsprinzip ist ein Quantencomputer dazu viel besser in der Lage.

Der D-Wave Two Computer scheine sich bei solchen Berechnungen tatsächlich Phänomene der Quantenmechanik zu Nutze zu machen, so Biswas. Aber: «Ob es sich um einen echten Quantencomputer handelt oder nicht ist uns dabei nicht so wichtig. Wir wollen bloss wissen, ob wir mit ihm bestimmte Probleme lösen können, die wir mit Hilfe von klassischen Supercomputern so nicht lösen können.»

Quantencomputer werden weitreichende Folgen haben

Die Frage, ob es schon echte Quantencomputer gibt oder nicht, lässt sich also kaum beantworten. Eines scheint aber klar: In absehbarer Zukunft werden solche Rechner tatsächlich zum Einsatz kommen. Klaus Ensslin erinnert daran, dass es vor 20 Jahren noch hiess, Quantencomputer könnten aus prinzipiellen Gründen gar nicht gebaut werden. Heute seien für alle damaligen Probleme technische Lösungen gefunden und es gehe nur noch darum, die einzelnen Komponenten auch richtig zusammenzubauen.

Bis die Quantencomputer genügend Qubits haben, um auch wirklich schwere Optimierungsprobleme zu lösen, kann es allerdings noch dauern. Mit 512 Qubits ist der D-Wave Two heute noch das Spitzenmodell. Ziel ist aber, einen Quantencomputer mit Millionen von Qubits zu bauen. Zum Vergleich: Auch herkömmliche Computer hatten in ihren Anfängen erst wenige Bits. Es dauerte Jahre, bis Modelle mit genügend Bits entwickelt wurden, um auch komplexe Probleme zu lösen. Und heute stecken im Arbeitsspeicher selbst eines gewöhnlichen Laptops Milliarden von Bits.

Doch wenn die Quantencomputer eines Tages vielerorts im Einsatz stehen, werden wir sie im Alltag wohl kaum benutzen. «Ihre Bankabrechnung werden Sie auch in 30 Jahren noch mit einem konventionellen Computer machen», sagt Klaus Ensslin. «Für Solche Problemstellungen wird der Quantencomputer nicht die richtige Lösung sein.» Trotzdem ist der Physiker überzeugt, dass der Durchbruch des Quantencomputers weitreichende Veränderungen mit sich bringen wird – genau so wie auch der Einsatz herkömmlicher Computer zu Anwendungen wie dem Internet führte, die niemand vorausahnen konnte.

Googles Quantencomputer

Googles Quantencomputer

Im Video gibt Google Einblick in das zusammen mit der NASA betriebene Quantum Artificial Intelligence Lab – und gibt nebenbei eine kleine Einführung in die Theorie hinter dem Quantencomputer.

Quantencomputer für Anfänger

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