Text: Nina Beier / Beitragsbild: IBM

Unsere Computer werden immer schneller. Und: Sie werden auch immer kleiner. Fast jeder trägt heutzutage seinen eigenen kleinen Rechner mit sich in der Hosentasche. Die Smartphones von heute wiegen nur wenige hundert Gramm und sind dabei deutlich leistungsstärker als tonnenschwere Supercomputer vor rund 50 Jahren.

Diese Entwicklung zu immer kleineren und schnelleren Computern lässt sich durch das Moore’sche Gesetz beschreiben, welches der Physiker und Intel-Mitbegründer Gordon Moore im Jahr 1965 formulierte: Die Anzahl der Rechenbausteine eines Computers – die Transistoren –  verdoppelt sich alle zwei Jahre, und somit auch die Rechenleistung der Computer. Seit der Formulierung des Gesetzes hat dieses die Entwicklung von Computerchips erstaunlich gut prophezeit. Aber inzwischen stoßen wir an eine physikalische Grenze, denn die Größe der Transistoren entspricht inzwischen der von wenigen Atomen. In diesen Größenordnungen beginnen die Gesetze der Quantenphysik eine Rolle zu spielen – und das birgt sowohl neue Herausforderungen als auch Möglichkeiten. Das Stichwort hierbei heißt Quantencomputer.

Das Qubit

Ein klassischer Computer rechnet mit Bits, die den Wert 1 oder 0 annehmen können. Die Rechenbausteine von Quantencomputern heißen hingegen Qubits – weil sie den Regeln der Quantenmechanik folgen. Quantenbits also. Welche Werte diese Qubits annehmen können, ist deutlich komplexer als lediglich 1 oder 0, wie es bei einem normalen Computer der Fall ist – und genau darin liegt die Stärke der Quantencomputer.

Superposition – die „Superkraft“ der Qubits

Grund dafür ist das Prinzip der Superposition. Demnach kann ein Qubit sich nicht nur wie ein normales Bit im Zustand 1 oder 0 befinden, sondern auch in einer beliebigen Kombination dieser beiden. Der Vorteil: Die Qubits können dadurch nicht nur einen sondern viele Werte gleichzeitig darstellen. So kann man in einem Schritt eine Rechnung auf mehrere Werte simultan durchführen (das nennt man Quantenparallelismus). Außerdem kann man verschiedene Qubits miteinander verschränken, also aneinander koppeln. Je mehr Qubits man hat, umso besser wird deshalb die Rechenleistung des Quantencomputers.

Aber: So ganz einfach ist das mit diesen Quantenszuständen nicht. Die Überlagerung dieser verschiedenen Zustände funktioniert nur, solange diese gut von der Umgebung abgeschirmt sind.  Eine große Herausforderung bei der Entwicklung eines Quantencomputers ist also bereits, diese parallelen Zustände während der Rechenoperationen aufrecht zu erhalten. Allerdings will man am Ende einer Rechnung auch ein Ergebnis vorliegen haben. Um diese Informationen zu erhalten, muss man zwangsläufig mit den überlagerten Zuständen (in Form einer Messung) interagieren. Bei diesem Prozess löst sich die Überlagerung auf und nur ein einziger Zustand kann am Ende registriert werden. Um Ergebnisse über die vielen verschiedenen Zustände zu erhalten, muss eine Rechnung mehrmals durchgeführt werden.

Geschickte Algorithmen lösen spezielle Probleme

Ist die „Superkraft“ des Quantenparallelismus damit also zunichte? Nicht ganz. Die Quantennatur der Qubits kann man sich nämlich doch zunutze machen. Auf Grundlage der quantenphysikalischen Eigenschaften lassen sich Algorithmen entwickeln, die dem Quantencomputer einen Vorteil gegenüber den klassischen Computern verschaffen. Sie ermöglichen es, dass ein gesuchtes Ergebnis wahrscheinlicher, und damit schneller und häufiger, auftritt als andere Ergebnisse.

So etwas wird zum Beispiel dann interessant, wenn man eine große Datenbank durchsuchen will. Das ist in etwa so wie die Suche nach einer Nadel im Heuhaufen. Ein klassischer Computer macht folgendes: Er überprüft jeden Bestandteil des Heuhaufens, jeden Strohhalm, bis er auf die Nadel trifft. Das kann eine Weile dauern. Ein Quantencomputer ist durch einen speziellen Algorithmus (der abgestimmt auf das Problem ist) mit einer Zusatzfähigkeit ausgestattet. Diese gibt ihm eine Art Gespür dafür, wo die Nadel zu finden ist.

Mit dem passenden Algorithmus zu bestimmten Problemen kann ein Quantencomputer den klassischen Computern also durchaus überlegen sein. Die Entwicklung der andersartigen Rechner ist aber noch im vollen Gange. Firmen wie IBM, D-Wave und Google liefern sich seit Jahren einen Wettstreit darin, kommerzielle Quantencomputer zu entwickeln. Ein paar Produkte haben es bereits auf den Markt geschafft, zugänglich sind sie in der Regel aber nur per Cloud. Das sind erste Schritte, und noch bestehen diese Quantencomputer nur aus einer Handvoll Qubits. Wir dürfen gespannt sein, wie diese Entwicklung weitergeht.

Wollt ihr mehr über Quantencomputer erfahren?

Im Laufe der Woche folgt auf dem Blog ein Interview mit dem Wissenschaftsjournalisten Ulrich Eberl, der mir seine Einschätzung zu Quantencomputern gegeben hat.