Die Rechenleistung stößt an ihre Grenzen. Folgen wir dem Trend seit der Erfindung des Computers, reicht der weltweite Strom bis 2040 nicht mehr aus, um alle Maschinen zu betreiben – es sei denn, Quantencomputer brechen durch.
Quantencomputer versprechen enorme Geschwindigkeiten und höchste Sicherheit im Vergleich zu klassischen Systemen. Wissenschaftler forschen seit Jahrzehnten daran, diese Technologie real zu machen.
Was ist Quantencomputing und welchen Nutzen bringt es?
Quantencomputing unterscheidet sich grundlegend vom klassischen Computing – vor allem in der Speicherung von Informationen. Es nutzt die Superposition der Quantenmechanik: Eine "Einheit" speichert weit mehr Daten als ein herkömmliches Bit.
Klassische Bits sind entweder 1 oder 0, wie ein Lichtschalter ein- oder ausgeschaltet. Qubits hingegen können 1, 0 oder eine Überlagerung beider Zustände darstellen.
Stellen Sie sich eine Kugel vor: 1 am Nordpol, 0 am Südpol. Ein Qubit kann überall dazwischen positioniert sein.
"Quantenbits, die simultan ein- und ausgeschaltet sein können, eröffnen ein revolutionäres Paradigma für effizientere Speicherung und Verarbeitung von Informationen", erklärte Dr. Kuei-Lin Chiu 2017 gegenüber Alphr. Der Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) spezialisierte sich auf quantenmechanisches Materialverhalten.
Mehr Speicherkapazität pro Einheit macht Quantencomputer schneller und energieeffizienter. Warum ist der Durchbruch dennoch so schwer?
Qubits herstellen
Qubits bilden das Herzstück eines Quantencomputers – sie sind extrem schwierig zu erzeugen und zu stabilisieren. Forscher müssen sie präzise kontrollieren, damit sie in einem Quantensystem interagieren.
Verschiedene Ansätze wurden getestet: supraleitende Materialien, Ionen in Fallen, neutrale Atome oder Moleküle. Die Herausforderung: Quanteninformationen lange genug zu halten.
MIT-Forscher entwickelten kürzlich einen innovativen Weg mit Clustern aus ultrakalten Zweiatom-Molekülen als Qubits.
"Wir nutzen ultrakalte Moleküle als Qubits", sagte Professor Martin Zwierlein, Leiter der Studie, 2017 zu Alphr. "Moleküle gelten seit Langem als ideale Träger für Quanteninformationen – mit Vorteilen gegenüber Atomen, Ionen oder supraleitenden Qubits. Erstmals speichern wir solche Informationen langfristig in einem Gas aus ultrakalten Molekülen. Nächster Schritt: Interaktionen für Quantengatter ermöglichen."
Diese Qubits hielten die Information länger als je zuvor – eine Sekunde, was tausendfach stabiler ist als frühere Experimente, betonte Zwierlein.
An der University of New South Wales gelang ein Meilenstein: Das Flip-Flop-Qubit nutzt Elektron und Kern eines Phosphoratoms, gesteuert elektrisch statt magnetisch. Es erzeugt einen Dipol, indem das Elektron elektrisch vom Kern weggezogen wird – skalierbarer und einfacher zu integrieren.
Jenseits der Qubits
Auch das Material für Quantenchips ist entscheidend. Dr. Chius 2017 veröffentlichte Studie identifizierte ultradünne Schichten als Basis. "Wichtig ist, das passende Material zu wählen, seine Quanteneigenschaften zu nutzen und daraus stabile Qubits zu bauen", sagte er zu Alphr.
"Moores Gesetz prognostiziert eine Verdopplung der Transistordichte alle 18 Monate. Bei Miniaturisierung wird Quantenmechanik dominant", erklärte Chiu. Moores Gesetz von Intel-Mitgründer Gordon Moore (1965) beschreibt die Leistungsverdopplung aller zwei Jahre – Quantencomputing könnte die Grenzen überwinden.
Ist Quantencomputing nur Vaporware?
Was bedeutet Vaporware?
Vaporware ist ein stark beworbenes Produkt, das nie oder verspätet erscheint – oft Software.
Trotz Jahrzehnten Optimismus: Wie nah sind wir am praktischen Quantencomputer? In einem Folgeartikel tauchen wir tiefer ein. Fazit: In 1–2 Jahren könnte ein Prototyp einfache Aufgaben ultraschnell lösen – doch skalierbare, bezahlbare Systeme sind fern.