Quantencomputer: Vom physikalischen Traum in die Realität

Während die Menschheit über den Personal Computer staunte, träumten Forscher schon vom Quantencomputer. Viel hat dieser mit dem gewöhnlichen Computer jedoch nicht mehr gemeinsam. Die Wissenschaft musste lange über die technischen Herausforderungen grübeln, bis er Realität werden konnte. Im zweiten Teil unserer Blogreihe gehen wir – stark vereinfacht, liebe Physiker – auf ein paar technische und physikalische Details ein.

Physikalische Erkenntnisse bilden die Grundlage für moderne Technologien wie Smartphone und Internet. Die Quantenphysik, ein Teilgebiet der Physik, das etwa das GPS ermöglichte, beschreibt die Welt im Kleinen und verhält sich ganz anders als die physikalische Welt im Großen. Alles von der Größe eines Atoms oder kleiner zählt zur Quantenphysik. Sie ist nicht nur schwer sichtbar zu machen, sondern auch schwer zu verstehen und folgt nicht immer den Regeln der Logik. Bemerkenswert ist, dass wir sie eigentlich nicht beobachten können, denn mit einer Beobachtung beeinflussen wir das Ergebnis, wie das bekannte Gedankenexperiment Schrödingers Katze zeigt.

Prinzipien im Reich der Quanten

Eine Katze befindet sich in einem Karton zusammen mit einer radioaktiven Substanz, die mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 Prozent innerhalb einer Stunde zerfällt. Ein Messgerät erkennt den möglichen erfolgreichen Zerfall und setzt eine giftige Substanz frei. Diese tötet die Katze. Entweder ist die Katze lebendig und der Kern nicht zerfallen, oder die Katze ist tot und der Kern zerfallen – man sagt, die Katze und der Atomkern sind verschränkt. Solange wir nicht in den Karton schauen, überlagern sich diese zwei Zustände: Die Katze ist tot und lebendig zugleich. Solche Überlagerungen werden auch Superpositionen genannt. Das Besondere an Quantentechnologien ist, dass sie diese Superpositionen verarbeiten können, ohne in der Zwischenzeit Messungen vorzunehmen.

Ebenso bemerkenswert ist das Prinzip der Quantenverschränkung, bei der ebenfalls das Superpositionsprinzip zum Tragen kommt. Hierbei werden zwei Teilchen erzeugt. Diese Teilchen weisen aufgrund ihrer Verschränkung einen gegenläufigen Zustand, ihren sogenannten Spin auf. Der Clou daran: Egal wie weit wir die beiden Teilchen räumlich trennen würden – aufgrund ihrer Verschränkung sind sie in der Lage, über ihre Teilcheneigenschaften Informationen in Echtzeit auszutauschen und damit zu kommunizieren. Das empfand sogar schon Einstein als spukhaft, und chinesische Forscher wollen daraus abhörsichere Datenübertragung entwickeln.

Der Charakter des Quantencomputers

Der PC wie wir ihn kennen, besteht im Wesentlichen aus einem Prozessor, einem Bussystem, dem Register und Speicher. Die Rechenoperationen werden mittels Gatter ausgeführt. Analog dazu besteht der Quantencomputer aus Quantengattern und Quantenspeicher. Quantengatter sind Rechenoperationen. Sie können den Zustand so genannter Qubits gezielt manipulieren. Das besondere im Vergleich zum PC: Das quantenmechanische System ist stets einem Einfluss durch die Umgebung ausgesetzt. Wenn dies passiert, werden die genutzten quantenmechanischen Effekte nichtig gemacht und die Regeln des klassischen Computers würden wieder gelten. Dieser Umstand wird als Dekohärenz bezeichnet. Die Wechselwirkung mit der Umgebung kann zur irreversiblen Veränderung des Systemzustandes sowie zum Verlust der Interferenzfähigkeit des Systems führen, was wiederum Fehlerkorrekturverfahren erforderlich macht. Dadurch könnte etwa aus einer Null auf einmal eine Eins werden, oder andersherum. Diesen Prozess bezeichnet man als Relaxation.

Für die Quantengatter werden zum Beispiel Magnetfelder oder Laser eingesetzt. Mithilfe eines Schaltkreises wird ihre Ausführung zeitlich koordiniert. Noch einfacher, aber genauso leistungsstark, macht es der Einweg-Quantencomputer: Rechnungen werden durchgeführt, indem gezielte Messungen an den einzelnen Qubits des Quantenzustandes gemacht werden. Vergangene Messungen bestimmen, auf welche Weise die zukünftigen durchgeführt werden.

Doch wann ist ein Quantencomputer eigentlich ein Quantencomputer? Hier kommen die Di Vincenzo-Kriterien ins Spiel. Ein System, das zur Realisierung eines Quantencomputers dienen soll, muss üblicherweise die folgenden Kriterien erfüllen:

1. Das System besteht aus wohlbestimmten Qubits und erlaubt die Skalierung auf beliebig große Systeme.

2. Es ist möglich, dem System einen festen reinen Zustand aufzuprägen (Initialisierung).

3. Die Kohärenzzeit des Systems ist wesentlich länger als die Operationszeit eines Gatters.

4. Es ist ein universeller Satz von Quantengattern implementiert, aus denen sich alle Quantenoperationen zusammensetzen lassen.

5. Die einzelnen Qubits können gemessen werden.

Für den Einsatz in der Kommunikation stellt man noch zwei weitere Forderungen:

6. Stationäre Qubits und fliegende Qubits (Photonen) können ineinander umgewandelt werden.

7. Die fliegenden Qubits können zwischen bestimmten entfernten Orten übertragen werden.

Gegenwart und Zukunft eines Traums

Google hält aktuell den Rekord für den weltweit größten Quantencomputer. Ganze 72 Qubits interagieren in „Bristlecone“. Doch die noch hohen Fehlerraten der Technologie stören den praktischen Einsatz enorm. Hinzukommt, dass verschiedene Umstände die Forschung der Quantenrechner zusätzlich erschweren. So zum Beispiel auch das No-Cloning-Theorem als Resultat der Quantenverschränkung. Die Folge: Es ist nicht möglich, ein quantenmechanisches System zu kopieren, ohne das System selbst zu verändern. In der klassischen Informatik wird eigentlich das Kopieren von Informationen (Redundanzen) genutzt, um Fehler überprüfbar zu machen. In der Quanteninformatik ist das aufgrund der Technik nicht möglich.

Trotz der vielen Stolpersteine, verkauft das Unternehmen D-Wave Systems die ersten kommerziellen Quantencomputer, – laut Website sogar an Volkswagen. Bei ihnen handelt es sich um adiabatische Quantencomputer. Der Grundzustand des Systems wird langsam, also adiabatisch, verändert und in einen noch unbekannten Grundzustand überführt. Sobald man den gewünschten, zuvor noch unbekannten Grundzustand erreicht, ist die Lösung des Problems gefunden. Mit dieser Vorgehensweise ist es nur möglich, mathematische Optimierungsprobleme zu lösen. Adiabatische Quantencomputer werden deshalb nicht als vollwertige Quantencomputer betrachtet. Es bleibt abzuwarten, was in Zukunft noch alles möglich sein wird.

Generell werden Quantencomputer als zukünftige Verschlüsselungsbrecher gehandelt. Diese Behauptung liegt im Shor-Algorithmus begründet, den Peter Shor 1994 vorstellte. Mit diesem Algorithmus lassen sich große Zahlen effizient in ihre Faktoren zerlege. Der sogenannte diskrete Logarithmus wird berechnet. Effiziente Algorithmen, die dieses Problem auf klassischen Computern lösen, sind derzeit nicht bekannt. Würde ein großer Quantencomputer wirklich wie erwartet gebaut werden, könnte er alle wichtigen klassischen Public-Key-Verfahren (Kryptographie wie Authentisierung, beispielsweise RSA) brechen. Das hätte verheerende Folgen für die Sicherheit im Internet.

Fazit: Quantencomputer sind hochkomplexe Systeme und funktionieren grundlegend anders als klassische Computer. Er macht sich zwei wesentlichen Prinzipien der Physik zunutze, der Superposition und der Quantenverschränkung. Auch die verschiedenen Bauarten von Quantencomputern unterscheiden sich wesentlich. Umso spannender ist deshalb unser Thema für Teil 3 unserer Blogreihe. Wir gehen der Frage nach, in welchen Wirtschaftsbereichen der Quantencomputer die besten Aussichten hat und welche Konsequenzen das für die Unternehmen haben wird.