Quantencomputing hat seit seiner theoretischen Geburt in den 1980er Jahren durch Pioniere wie Paul Benioff, Yuri Manin, Richard Feynman und David Deutsch einen beeindruckenden Weg zurückgelegt. Zwar besitzen wir noch keine funktionsfähigen, groß angelegten universellen Quantencomputer, doch der Durchbruch rückt in greifbare Nähe.
Derzeit dominieren Konzerne wie IBM und Google sowie Forschungslabore an Universitäten das Feld. Forscher suchen intensiv nach dem optimalen Ansatz. Abgesehen von D-Wave Systems, das Quantentunneleffekte für spezielle Probleme nutzt, haben sich Supraleiter und eingefangene Ionen als erfolgreichste Methoden durchgesetzt.
Supraleitende Systeme basieren auf Josephson-Kontakten: Zwei supraleitende Elektroden mit einer dazwischenliegenden Barriere, die bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt Quanteneffekte erzeugt. Bei eingefangenen Ionen hingegen werden geladene Teilchen in Magnetfeldern präzise kontrolliert, um Quantengatter zu bilden.
Schlüssel zu diesen Effekten ist die Superposition: Während ein klassischer Bit entweder 0 oder 1 ist, kann ein Qubit gleichzeitig beide Zustände einnehmen. Diese Eigenschaft ermöglicht mit passenden Algorithmen Lösungen, die klassische Supercomputer Milliarden Jahre benötigen würden – in nur einem Nachmittag.
Der Begriff „Quantenüberlegenheit“, geprägt von John Preskill vom Caltech, beschreibt den Moment, in dem Quantencomputer klassische Systeme überholen. Dieser Meilenstein wird bei etwa 45–50 Qubits erwartet, und führende Experten sehen ihn nahen.
Lesen Sie unsere Kurzanleitung zu den Grundlagen des Quantencomputing
Anfang dieses Jahres kündigte Google an, bis Ende 2017 einen 50-Qubit-Computer zu betreiben; IBM plant Ähnliches. IBMs aktuelles supraleitendes 17-Qubit-System ist laborreif, eine 5-Qubit-Maschine läuft öffentlich, und ein 16-Qubit-Prototyp wird getestet. Die IBM Quantum Experience zählt über 50.000 Nutzer, die Code mehr als 300.000 Mal ausgeführt und Ergebnisse in 17 Publikationen dokumentiert haben. Eine API und GitHub-Code erleichtern den Einstieg.
„Man muss bedenken, dass es sich um perfekte Qubits handeln sollte“, erklärt Dr. Stefan Filipp, Quanteninformatiker bei IBM Research in Zürich. „Qubits ohne Umwelteinflüsse oder Rauschen. 50 Qubits markieren die erste Schwelle zur Überlegenheit klassischer Computer. Unser Ziel: ein universeller Quantencomputer. Perfekte Qubits sind unrealistisch, daher brauchen wir Fehlerkorrektur.“
(Dr. Stefan Filipp, IBM Research)
„Aus 100 oder 1.000 unvollkommenen Qubits destillieren wir ein perfektes“, fährt Filipp fort. „Für 50 perfekte Qubits benötigen wir je nach Qualität einen Overhead von 1.000 oder mehr. Wir sind überzeugt, einen klassischen Computer zu übertreffen – die Frage ist nur, wann: dieses Jahr, nächstes oder in fünf Jahren.“
Eingefangene Ionen
Nicht alle teilen IBMs Ansatz. Prof. Winfried Hensinger von der University of Sussex hat kürzlich einen Plan für Ioneneinfang-Technologie vorgestellt.
„Eingefangene Ionen sind ideal, da sie bei Raumtemperatur arbeiten“, betont Hensinger. „Für Milliarden Qubits ist Kühlung auf 0,01 K oder -273 °C unmöglich.“
Traditionell erzeugen Laserpaare Quantengatter, fokussiert auf haarfeine Präzision. „Für Milliarden Qubits bräuchten wir Milliarden Laser – unpraktisch“, erklärt er. „Unser Ansatz: Mikrochips mit Spannungen ersetzen Laser. Ähnlich wie Transistoren in klassischen Prozessoren.“
(Prof. Winfried Hensinger, University of Sussex)
Die Maschinen werden modular und groß: „Quantencomputer brauchen Isolation vor Störungen – denken Sie an fußballfeldgroße Systeme. Module verbinden wir via elektrischer Quanten-Konnektivität, wie superschnelles Quanten-Bluetooth. Bau heute möglich, Fertigstellung in zehn Jahren.“
Unterschiedliche Interpretationen
Was tun mit solchen Maschinen? IBMs Platform testet Algorithmen. Filipp sieht Potenzial in der Quantenchemie: „100 Elektronen erfordern 2100 komplexe Zahlen – mehr Speicher als verfügbar. Quantencomputer nutzen physische Quantenobjekte direkt.“
Hensinger widerspricht: „Quantencomputer sind kein schneller klassischer Rechner. Eine Interpretation: Berechnungen in parallelen Universen. Sie lösen spezifische Probleme in Stunden, wo Supercomputer Milliarden Jahre brauchen – z. B. Verschlüsselung knacken. Jeder Algorithmus muss neu entwickelt werden.“
„Eine Interpretation: Berechnungen in parallelen Universen“
Wie beim Colossus-Codeknacker der 1940er: „Quantencomputing steht da, wo klassische Computer damals waren – Potenzial enorm, Anwendungen unklar.“ Nur etwa 50 Experten weltweit schreiben Quantenalgorithmen. „Disruptiv: Löst unlösbare Probleme, verändert Branchen.“
Trotz Giganten und Kühlung: Verbraucher-PCs? Filipp: „Laptops ersetzen? Kühlung wird gelöst, aber Quantencomputer ergänzen, nicht ersetzen – zu komplex für Alltagsaufgaben.“