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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

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