TrendQuantencomputing

Kelch der Glückseligkeit

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Christoph Hammerschmidt

Christoph Hammerschmidt

freier Journalist

Quantencomputer sind für Computerwissenschaftler so etwas wie der Heilige Gral. Theoretisch können sie in einer Minute Probleme lösen, an denen konventionelle Computer Tausende von Jahren arbeiten. Sie versprechen nie dagewesene Rechenpower.

17. März 2014

Quantencomputer sind der Traum eines jeden Computerwissenschaftlers. Theoretisch können sie in einer Minute Probleme lösen, an denen konventionelle Computer Tausende von Jahren arbeiten. Der Grund: Ein klassisches Bit kann nur den Wert null oder eins haben, während Quantencomputer mit Qubits rechnen. Das sind überlagerte Quantensysteme, die beide Werte zugleich repräsentieren. Jede Rechenoperation, die auf ein Qubit angewendet wird, wirkt also gleichzeitig auf zwei Zahlenwerte – bei zwei Qubits sind es vier Werte, bei drei acht und so weiter. »Das ist so, als hätten sie nicht nur einen Prozessor, sondern würden mit Hunderttausenden von Prozessoren gleichzeitig rechnen«, sagt Fabian Hassler vom Institut für Quanteninformation in Aachen.

Die Gleichzeitigkeit der Zustände ist das Interessante. Welcher Zustand der »richtige« ist, hängt davon ab, wie man sein quantenmechanisches System betrachtet. Auf jeden Fall, so der Münchner Quantenwissenschaftler Frank Deppe, wächst der »Zustandsraum«, den eine solche Maschine einnehmen kann, mit der Zahl der möglichen Zustände und der Zahl der Qubits exponentiell an – und damit die Anzahl der parallelen Operationen. Quantencomputer hätten das Zeug, um die Herausforderungen künftiger Big-Data-Probleme zu lösen, erklärt Henning Kagermann, Präsident der Akademie der Technikwissenschaften (acatech). Dazu gehören Themen wie Energieversorgung, Mobilität der Zukunft und Social-Media-Analytics – kurz: alle Bereiche, wo riesige Datenmengen anfallen. So weit Theorie und Wünsche. Programmiersprachen oder allgemein anerkannte Vorgehensweisen für die Programmierung von Quantencomputern gibt es jedenfalls noch nicht. Und auch an Standards hapert es. Während sich der Erbauer eines konventionellen Computers an einem reichhaltigen Angebot von Elektronikbausteinen bedienen kann, stehen für das Quantencomputing noch keinerlei standardisierte Elemente zur Verfügung. Nicht einmal auf eine grundlegende Technik haben sich die Wissenschaftler bisher geeinigt, zu labil sind die Quantenzustände. Allen bisher angewandten Techniken ist gemeinsam, dass die Quantenkohärenz, das ist der Moment, in welchem ein Quantencomputer potentiell nutzbringende Arbeit verrichtet, nur kurz anhält – mit einem Zeitraum im Millisekundenbereich ist man da schon sehr gut bedient.

Immerhin aber haben die Quanteninformatiker Algorithmen entwickelt, mit denen sich Zahlen in ihre Primzahlen zerlegen lassen (»Shor-Algorithmus«), und Algorithmen zur Suche in Datenbanken (»Grover-Algorithmus«). Zwei zahlungskräftige Organisationen, die NASA und Google, sind neugierig und haben so ein Rechending geordert. Für den Quantencomputer, den die kanadische Firma D-Wave Systems geliefert hat, haben sie rund 15 Millionen Dollar über den Ladentisch geschoben. Vor zwei Jahren war bereits der Rüstungskonzern Lockheed Martin bei D-Wave Systems eingestiegen sowie der Amazon-Gründer Jeff Bezos und der Technologie-Investor In-Q-Tel, der auch für die CIA arbeitet.

Was bekommen nun Google und die NASA für ihre Dollars? Eine Anordnung, nennen wir es Computer, die 512 Qubits zum Rechnen nutzt. Bei einem klassischen Computer aus Siliziumchips sind 512 Bit so wenig, dass man so kleine Speicher gar nicht mehr kaufen kann. Bei einem Quantencomputer dagegen sind 512 Qubits ziemlich viel. Durch die Gleichzeitigkeit sollen sich Aufgaben massiv beschleunigen lassen, die auf klassischen Computern sehr viele sequentielle Rechenschritte erfordern. Beispiele sind die Suche in extrem großen Datenbanken – Google lässt grüßen – und Optimierungsaufgaben mit sehr vielen Parametern, wie sie die NASA benötigt.

Was mit »extrem groß« gemeint sein könnte, beschreibt Seth Lloyd, Professor am Massachusetts Institute of Technology (MIT) und einer der geistigen Väter des D-Wave-Computers: etwa ein Vektor-Array, in welchem das vollständige Genom aller auf der Erde lebenden Menschen aufgereiht ist. Eine Datenmenge von 10 hoch 20 Bit. Such- und Vergleichsaufgaben in einer solchen Datenbank würde bereits ein relativ einfacher Quantencomputer mit nur 70 Qubits in »Echtzeit« erledigen, erklärte Lloyd im Juli auf einer Tagung in Moskau.

Ob es sich bei der D-Wave-Technologie um einen »echten« Quantencomputer handelt, ist noch unklar. Scott Aaronson, ein Eliteinformatiker des MIT, hat das öffentlich angezweifelt. Der Quantencomputer sei zum Rechnen so nützlich »wie ein Roastbeef-Sandwich«, frotzelte er. Nach einem Besuch vor Ort nahm er diese Aussage zwar zurück, bekräftigte aber seine Zweifel an der Überlegenheit der Maschine gegenüber konventionellen Computern. Werden Quantenrechner irgendwann kommerziell erfolgreich sein? Zur Beantwortung der Frage greift US-Professorin Catherine McGeoch vom renommierten Amherst College auf ein Statement des IBM-Gründers Thomas J. Watson zurück. Dieser soll dereinst den weltweiten Bedarf an Computern auf »etwa fünf Stück« geschätzt und damit bekanntermaßen fulminant danebengelegen haben.

Empfindsame Hardware

Bei der »Hardware«, also der grundlegenden Technik zur Generierung und Steuerung der Qubits, gibt es viele verschiedene Ansätze – Ionenfallen, Squids, Quantenpunkte und weitere geheimnisvolle Verfahren, deren genauere Beschreibung nicht ohne eindrucksvolle Formelwerke möglich ist. Der aktuell größte Quantencomputer, eine 512-Qubit-Maschine von D-Wave Systems, erzeugt seine Qubits in tiefgekühlten, supraleitenden Metallschleifen. Grundsätzlich erfordert die Labilität der Quantenbits, dass der »Computer« massiv vor äußeren Einflüssen geschützt werden muss – jegliche Vibration, jedes elektromagnetische Feld, ja sogar eine kleine Temperaturänderung kann dazu führen, dass das System »dekohärent« wird und in sich zusammenfällt.

Was sind Quanten?

Die Bezeichnung »Quanten« wird allgemein für Elementarteilchen (nicht mehr weiter teilbare Teilchen) benutzt, wenn ihr korpuskulares und nicht ihr wellenartiges Verhalten im Vordergrund steht. Die Erkenntnis, dass jede Materie (Elektronen, Protonen, Atome, Moleküle, ...) nicht nur Teilcheneigenschaft besitzt, sondern auch als Welle (»Materiewelle«, De-Broglie-Gleichung) beschrieben werden kann, ist eine der wichtigsten Errungenschaften der modernen Physik.

Ausgabe 2014/01

Ausgabe 2014/01

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