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Digitale Revolution

Quantencomputer Wenn komplexe Aufgaben in 3:20 Minuten statt 10.000 Jahren gelöst werden

Auf dem Forschungsfeld der Quantencomputer könnte Google ein Durchbruch gelungen sein. Experten erwarten einen Schub für die Zukunftstechnologie.
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Amerikanische Unternehmen wie IBM forschen intensiv an der Technologie. Quelle: dpa
Quantencomputer „Q System One“

Amerikanische Unternehmen wie IBM forschen intensiv an der Technologie.

(Foto: dpa)

Düsseldorf, San Francisco Der große Durchbruch oder die große Luftnummer? Diese Frage stellen sich derzeit viele in der IT-Welt. Google nimmt für sich in Anspruch, den ersten Quantencomputer entwickelt zu haben, der heutige Rechner bei weitem übertrifft – zumindest bei einer speziellen Aufgabe. Sollte das stimmen, hätte der Konzern den Punkt der „Quantum Supremacy“ erreicht, also die Quantenüberlegenheit über herkömmliche Rechner – mit weitreichenden Folgen.

Ein Forschungsteam des Konzerns beschreibt in einem wissenschaftlichen Papier, wie ein Experimentalrechner auf Basis von Quantentechnologie ein komplexes mathematisches Problem löst: Er liefert den Beweis, dass die von einem Zufallsgenerator erzeugten Zahlen wirklich zufällig sind. Und das in angeblich 3:20 Minuten. Ein heutiger Hochleistungscomputer bräuchte dafür nach Schätzung der Forscher mehr als 10.000 Jahre.

Die „Financial Times“ stöberte das Papier auf einem Server der Weltraumbehörde Nasa auf. Das Problem: Laut dem Bericht verschwand die Ausarbeitung wieder, und Google wollte sich nicht dazu äußern. Forscher in aller Welt bemühen sich nun, das Ergebnis nachzuvollziehen.

„Dies ist ein großer Schub für die Szene“, urteilt beispielsweise Frank Wilhelm-Mauch, Professor für Quanten- und Festkörpertheorie an der Universität des Saarlandes und einer der führenden Experten in Deutschland. Er ist überzeugt: „Viele werden von diesem Ergebnis lernen.“

Woran die Forscher arbeiten, hat mit einem normalen PC wenig gemein. Quantencomputer rechnen nicht mit Transistoren, die ein- oder ausgeschaltet sind und die Welt in Nullen und Einsen einteilen, sondern nutzen die Gesetze der Quantenmechanik. Dafür brauchen sie neben herkömmlichen Chips eine aufwendige Konstruktion, die die Technik vor äußeren Einflüssen wie Strahlung schützt und auf eine Temperatur nahe des absoluten Nullpunkts von minus 273 Grad Celsius kühlt.

Für die meisten Menschen ist es bizarr: Elementarteilchen können mehr als nur einen Zustand einnehmen, können gleichzeitig hier oder dort sein. Die kleinste Informationseinheit, Qubit genannt, kann irgendwo zwischen Null und Eins liegen – so, als ob es auf einer Kugeloberfläche einen beliebigen Punkt markiert. Dieser Zustand lässt sich für Berechnungen nutzen, wie Forscher bewiesen haben – theoretisch zumindest.

Quantencomputer werden Rechner mit einer herkömmlichen Architektur auf absehbare Zeit nicht ersetzen, aber ergänzen. Große Stärken haben sie bei der Bewältigung von Optimierungsproblemen, wie sie in der Informatik alltäglich sind.

Ein paar Beispiele: Wie kommt ein Auto am schnellsten von A nach B? Wie wird ein Produkt am günstigsten hergestellt? Und wie wird ein Stadion am schnellsten evakuiert?

Bei derartigen Berechnungen, die Experten als „einfache Optimierungsaufgaben“ bezeichnen, könne der Durchbruch bald gelingen, sagt Physiker Wilhelm-Mauch: „Quantencomputer könnten hier in fünf Jahren im Vorteil sein.“ Damit ergeben sich konkrete Anwendungsmöglichkeiten: in der IT bei der Berechnung von Algorithmen für Verschlüsselung oder Maschinenlernen, in der Chemie bei der Entwicklung neuer Materialien und Verfahren, in der Finanzwelt bei der Kalkulation von Risiken.

„More than Moore“

Langfristig haben Quantencomputer das Potenzial, große wissenschaftliche Probleme zu lösen. Forscher hoffen etwa, dass die Produktion von Dünger deutlich effizienter werden kann, wenn man einen neuen Katalysator entwickelt – die Einsparungen an CO2 wären enorm. Nicht zuletzt könnten die Geräte die Kryptografie revolutionieren: Informatiker vermuten, dass heutige Verschlüsselungsverfahren obsolet, dafür aber auch neue, besonders sichere Algorithmen möglich werden.

Quantencomputer bieten zudem eine Alternative, wenn die herkömmliche IT an ihre physikalischen Grenzen stößt. Die Leiterbahnen heutiger Prozessoren sind nur ein paar Atome breit – viel kleiner geht es nicht. Damit könnte das Moore’sche Gesetz, das eine Verdopplung der Rechenleistung alle zwei Jahre postuliert, auslaufen. Die IT-Branche arbeitet daher intensiv an Alternativen – eine könnte der Quantencomputer sein. „More than Moore“, lautet das Schlagwort.

Die Theorie stellt niemand in Frage, aber ihre Umsetzung erweist sich als schwierig. Quantencomputer müssen auf extreme Tiefstwerte abgekühlt werden, um überhaupt arbeiten zu können. Die Zustände der Elementarteilchen sind nur für winzige Bruchteile von Sekunden stabil und entsprechend schwer zu messen.

Ein ungelöstes Problem ist außerdem, dass sich die Chips gegenseitig in die Arbeit „reinreden“ und damit stören. Dieses „Übersprechen“ genannte Phänomen muss noch zuverlässig verhindert werden.

„Quantencomputer werden auf absehbare Zeit viel mehr Fehler machen als klassische Computer“, betont Wilhelm-Mauch. So habe die Forschung noch viel weniger Erfahrung mit der Hardware, als es die Halbleiterindustrie mit Computerchips hat.

An der Reduzierung der Fehlerquote arbeiten zwar Spezialisten in aller Welt. Wann sie Erfolg haben werden, wagt der Physiker aber nicht zu prognostizieren. Auch die Schätzungen von Marktforschern und Beratungen zur Umsatzentwicklung enthalten eine große Streuung.

An diesen ungewissen Aussichten ändert auch das Experiment von Google nichts. Wilhelm-Mauch hält den Bericht zwar für plausibel: „Das sieht echt aus.“ Der Internetkonzern habe in den vergangenen Jahren kontinuierlich darauf hingearbeitet, was sich anhand von Publikationen und Vorträgen nachvollziehen lasse. Allerdings sei Googles Anwendung sehr akademisch und gezielt auf die Stärken der neuen Rechnerkategorie hin konzipiert worden.

In der exklusiven Runde der Quantenforscher pflichten viele dieser Meinung bei. Die Fortschritte von Google seien „sicherlich ein Meilenstein“, sagt etwa Jim Clarke, Leiter der Quantenforschung beim Chipspezialisten Intel. Dieser stehe aber auf dem „ersten Kilometer eines Marathonlaufs“.

Intel rechnet laut dem Manager in „vielleicht zehn Jahren“ mit voll arbeitsfähigen Quantenrechnern, „die unser Leben verändern werden“. Der Konzern selbst forscht intensiv an der Technologie.

Vorausschauende Unternehmen bereiten sich bereits auf den „Tag X“ vor, wenn Quantencomputer Alltag werden. Volkswagen etwa hat mit dem Hardwarehersteller D-Wave ein Forschungsprojekt begonnen.

Andere nutzen Simulatoren in der Cloud, um sich mit der Technologie vertraut zu machen – auch so lässt sich ausprobieren, ob die Technologie Prozessabläufe oder Geschäftsmodelle verändern könnte. „Auch wenn die kommerzielle Nutzung noch zehn Jahre entfernt ist, sollten Manager sich nicht unvorbereitet erwischen lassen, wenn es so weit ist“, warnt Intel-Manager Clarke.

Ist Europa abgehängt?

Wenn es um Quantencomputer geht, machen meist amerikanische Unternehmen Schlagzeilen: Konzerne wie Google und IBM und Start-ups wie D-Wave und Rigetti. Auch der chinesische IT-Riese Alibaba arbeitet an der Technologie. Europäische Akteure sind dagegen öffentlich nicht so präsent. Diese Wahrnehmung nährt die Befürchtung, dass die Wirtschaft auf dem alten Kontinent einen weiteren technologischen Trend verpasst.

Forscher in Europa hätten hervorragende Grundlagenarbeit geleistet, berichtet Wilhelm-Mauch, der sich seit 20 Jahren mit Quantencomputern beschäftigt – „die Amerikaner haben aber fokussiert daran gearbeitet, kommerzielle Anwendungen zu entwickeln“.

Das Geld stammte zu einem guten Teil von der Regierung. „Die öffentliche Förderung hat private Investitionen nach sich gezogen.“ So habe Google einen Top-Forscher von einer Universität samt mehreren Mitarbeitern abgeworben.

Der US-Kongress hat gerade erst über eine Milliarde Dollar für Quantenforschung bewilligt, China soll sogar über zehn Milliarden Dollar in die Zukunft des Computers stecken. Da will Europa nicht nachstehen: Die Bundesregierung fördert Quantentechnik in dieser Legislaturperiode mit 650 Millionen Euro, die EU stellt über zehn Jahre eine Milliarde Euro bereit.

Das Rennen habe gerade erst begonnen, sagt Wilhelm-Mauch. „Der augenblickliche Vorsprung der Amerikaner ist angesichts der Größe der Herausforderungen aufholbar.“ Angesichts der hervorragenden Forschung habe Europa eine gute Chance, es entwickle sich bereits ein Ökosystem. Der Physiker selbst will mit dem Projekt „Open Super Q“ einen Quantencomputer entwickeln, der sich mit den Geräten aus Übersee messen kann.

Der Wissenschaftler führt ein politisches Argument an: Die Forschung helfe, die digitale Souveränität zu wahren. Die Technologie sei am Anfang, daher sei es nötig, sie möglichst tief zu verstehen – „das ist mit kommerziellen amerikanischen Plattformen schwierig“. Zudem gelte es, die Abhängigkeit von anderen Ländern zu verringern. „Wir wissen auch nicht, wie lange die Hardware noch exportiert wird.“

Mehr: Wie funktionieren Quantencomputer? Erfahren Sie mehr über die Technologie im Handelsblatt-Multimedia-Special.

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