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Bildrechte: IBM

Quantencomputer folgen einer anderen Logik.

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Wie Quantencomputer die Welt verändern könnten

Die Welt der Computer ist die Welt der Nullen und Einsen. Doch inzwischen gibt es neue Rechner, die ganz anders ticken: Quantencomputer. Bislang steckt diese Technologie noch völlig in den Kinderschuhen. Das Potenzial scheint aber gigantisch.

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Von
  • Christian Sachsinger

Ein Quantencomputer ist erst einmal ein sehr leistungsfähiger Kühlschrank. Im Inneren müssen Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt erreicht werden, also etwa Minus 273 Grad Celsius. Nur wenn es so kalt ist, bewegen sich die Atome in dem Chip nicht mehr, in dem die Rechenvorgänge stattfinden. Quantencomputer operieren in der Welt der kleinsten Teilchen, der Quanten eben. Ungewollte Bewegungen von Atomen und Molekülen stören die Quantenzustände.

Marc Mattingly-Scott, Projektmanager bei IBM vergleicht es mit einem Musikstück, das durch ein anschwellendes Piepsen überlagert wird. Irgendwann ist das Piepsen so laut, dass man von der Melodie nichts mehr hört. Das Piepsen wären hier die ungewollten Teilchen-Bewegungen. Die gäbe es auch, wenn das Innere des Quantencomputers mit normaler Luft gefüllt wäre. Dann würden Sauerstoff- und Stickstoff-Moleküle die Abläufe stören. Deshalb muss der "Quanten-Kühlschrank" gleichzeitig ein absolutes Vakuum herstellen.

Kopf und Zahl gleichzeitig

Das Prinzip eines Quantencomputers unterscheidet sich grundlegend von dem eines herkömmlichen Rechners. In der klassischen Computerwelt werden Informationen in Form kleiner Ladungen gespeichert. Ist eine Ladung in einer Leiterbahn vorhanden, wird das als Eins interpretiert, ohne Ladung ergibt sich Null. Eine solche Null-Eins-Kombination nennt man Bit. Analog dazu spricht man beim Quantencomputer von Quantenbits oder kurz Qbits. Diese Teilchen können nicht nur die Zustände Null oder Eins annehmen, sondern beides gleichzeitig. Man kann sich das vorstellen wie eine geworfene Münze, die auf der Kante rotiert. Bevor sie umfällt und sich Kopf oder Zahl ergibt, sind noch beide Zustände möglich. Das wird als Superposition bezeichnet.

Quanten beeinflussen sich gegenseitig

Die Gesetze der Quantenphysik sind schwer vorstellbar, denn sie lassen sich so in unserem Lebensalltag nirgends beobachten. Ein weiteres Gesetz, neben dem der Superposition, ist das der Verschränkung: Die Kleins-Teilchen beeinflussen sich ständig gegenseitig, sie hängen irgendwie zusammen, vergleichbar vielleicht mit dem Mobile in einem Kinderzimmer, bei dem verschiedene Objekte über Fäden miteinander verbunden sind. Zieht man an einem Faden, ändert sich das gesamte Gleichgewicht und es entsteht ein neues Gebilde. Dementsprechend funktioniert ein Quantencomputer, er hat sofort sozusagen das Gesamtgebilde im Blick.

Quantencomputer gehen viele Pfade gleichzeitig

Die Funktionsweise von Quantencomputern kann man sich anhand eines Labyrinths veranschaulichen. Um den Weg nach draußen zu finden, geht ein klassischer Computer einen Pfad bis zum Ende, dreht um, wenn es nicht weitergeht und probiert dann den nächsten Pfad aus und so weiter. Ein Quantencomputer beschreitet alle Pfade gleichzeitig und findet so den Weg nach draußen sehr viel schneller. Wofür klassische Rechner Jahre brauchen, benötigen Quantencomputer manchmal nur Sekunden.

Noch scheitern die Supermaschinen an einfachen Aufgaben

Im Moment steht die Technologie aber noch ziemlich am Anfang. Es gibt zwar schon ein paar Quantencomputer, von IBM etwa, auch Google hat bereits solche Rechner hergestellt. Außerdem sind Forschungseinrichtungen hier sehr aktiv. Eine davon ist die Universität Innsbruck. Dort ist Rainer Blatt vom Institut für Experimentalphysik zuständig. Die drei Quantencomputer, die sein Team bereits konstruiert hat, laufen permanent, so dass die Forscher sie auch von zu Hause aus dem Homeoffice fernsteuern können. Das sind allerdings noch keine Rechner, die mit klassischen Computern mithalten könnten, wenn es um normale Standardrechenvorgänge geht. Eine Videokonferenz aufzubauen beispielsweise, ist derzeit für einen Quantenrechner ein unlösbare Aufgabe. Dafür gibt es bislang noch keine Algorithmen.

Quantencomputer in der Agrarwirtschaft

An anderer Stelle ist dagegen schon absehbar, dass Quantencomputer gut einsetzbar sein werden, etwa in der Materialforschung. Wenn es darum geht, genau zu berechnen, wie bestimmte Materialien reagieren, dann muss man in die Ebene der kleinsten Teilchen blicken, also in die Quantenebene. Marc Mattingly-Scott von IBM nennt die Stickstoffgewinnung, die sich mit den Berechnungen eines Quantencomputers viel effektiver umsetzen ließe. Daran wäre die Agrarwirtschaft stark interessiert, denn Stickstoff ist wichtig, um Dünger herzustellen.

NSA will Quantencomputer einsetzen

Bislang kann man Daten mit Hilfe von Verschlüsselung ziemlich gut vor fremdem Zugriff schützen. Quantencomputer könnten die aktuellen Kryptographie-Verfahren allerdings in kürzester Zeit knacken. Deshalb forscht angeblich auch der US-amerikanische Geheimdienst NSA bereits sehr aktiv an Quantenrechnern. Andersherum wäre aber auch denkbar, dass Quantencomputer dabei helfen, Daten noch viel besser zu verschlüsseln, als dies bislang möglich ist. Für Geheimdienste und Ermittler, wäre dann also womöglich am Ende nichts gewonnen.

Banken hoffen auf bessere Gewinne

Stark interessiert an Quantencomputern ist auch die Investmentbranche. Kapitalmärkte sind ebenfalls extrem komplizierte Gebilde und wer hier die Wahrscheinlichkeiten für steigende oder fallende Kurse am besten ausrechnen kann, dem winken Milliardengewinne. Deshalb sind bereits zahlreiche Banken mit ihren Experten dabei, mit Quantencomputern Finanzrechenmodelle auszuprobieren.

Drei Quantenrechner für Bayern

Bislang gibt es nur wenige solcher Rechner. Deutschland spielt bei der Quantentechnologie bislang kaum eine Rolle. Rainer Blatt von der Uni Innsbruck hat deshalb vom Freistaat Bayern den Auftrag bekommen, in München die neue Technologie anzuschieben, die Initiative heißt Munich Quantum Valley. In etwa fünf Jahren sollen zwei bis drei Quantencomputer für die Industrie, Wirtschaft und Forschung zur Verfügung stehen.

Ausführlich behandeln wir das Thema Quantencomputer in unserem Tech-Podcast Umbruch, zu hören hier.

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