Quantencomputer – von der Physik geküsst

Woran ein Supercomputer ein schlappes Jahrhundert lang rechnen müsste – schafft der Quantencomputer in nur wenigen Sekunden. Doch die Spitzenrechner der Zukunft liefern nicht nur Ergebnisse für bislang unlösbare Aufgaben, sondern knacken auch spielend unsere Passwörter.

Mit der Quantentechnologie lassen sich komplizierte Berechnungen sehr viel schneller lösen als mit herkömmlichen Computern. Foto: Fotolia – Weissblick

„Ein normales Computerbit ist entweder 1 oder 0, An oder Aus.“ Die Erklärung stammt von einem ungewöhnlichen Absender – der charismatische kanadische Premierminister Justin Trudeau überraschte Reporter mit seinem Fachwissen, als er auf einer Pressekonferenz auf die Frage nach der Bedeutung von Quantencomputern mit einer Definition antwortete: „Ein Quantenzustand ist aber viel komplexer, weil er gleichzeitig Welle und Teilchen sein kann.“ Dass diese Erklärung nicht hundertprozentig korrekt war, ließen ihm die anwesenden Wissenschaftler durchgehen – Trudeau hatte die Lacher auf seiner Seite. Und immerhin kündigte er bei dieser Gelegenheit an, dass seine Regierung 50 Millionen kanadische Dollar in diese Technologie investieren werde.

Spezialität: Parallele Berechnung vieler Optionen

Dafür gibt es wiederum sehr konkrete Gründe. Denn Quantencomputer versprechen, Problemstellungen in kürzester Zeit zu lösen, an denen sich konventionelle Supercomputer die Zähne ausbeißen. Ihre Stärken spielen Quantencomputer dann aus, wenn es darum geht, eine sehr große Anzahl möglicher Ergebnisse parallel durchzurechnen. Ein klassisches Beispiel kennen Mathematiker als „Problem des Handlungsreisenden“: Ein Vertreter soll beispielsweise 15 Städte besuchen und dabei die kürzest mögliche Wegstrecke zurücklegen. Klingt trivial und sollte von jedem handelsüblichen Navigationssystem zu lösen sein? Mitnichten – denn es gibt 43 Milliarden Möglichkeiten, die Reihenfolge der 15 Städte zu sortieren. Um sie alle zu vergleichen, bräuchten die heute leistungsfähigsten Supercomputer fast ein Jahrhundert. Vorhang auf für den Quantencomputer: Er löst die beschriebene Aufgabe in Sekunden.

Der universelle Google-Quantencomputer eignet sich für viele experimentelle Rechenoperationen. Foto: Google, Eric Lukero

Worauf diese Leistung basiert, wollte Premierminister Trudeau in seinem Statement erklären. Technisch exakter hätte er vielleicht sagen sollen: Quantencomputer basieren auf sogenannten Qubits. In ihnen können sich die beiden Zustände 0 und 1 überlagern, Techniker sprechen von „Superposition“. Das Konzept vereint Quantenphysik und Informatik – und in der Quantenphysik sind die Zustände keineswegs so eindeutig wie in der IT. Ein weiterer wichtiger Effekt ist die sogenannte Verschränkung von Qubits: Ändert sich der Zustand eines „Grauwert-Bits“, nehmen auch alle mit ihm gekoppelten Qubits unmittelbar denselben Zustand an. Diese physikalischen Effekte lassen Quantencomputer umfangreiche parallele Berechnungen quasi gleichzeitig durchführen und so im Handumdrehen die gesuchte Lösung ermitteln.

Der technische Aufwand ist riesig

Was in der Theorie zwar ungewohnt, aber doch nachvollziehbar klingt, braucht in der Praxis allerdings einen riesigen technischen Aufwand. Wie der aussieht, lässt sich im Quantencomputer-Forschungszentrum von IBM in Zürich bestaunen. Dort kühlen die Wissenschaftler Atome auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt herunter und beschießen sie mit Laserstrahlen, um verschränkte Qubits zu erzeugen. Derzeit hat der IT-Konzern ein System mit 20 Qubits realisiert. Angesichts heute üblicher 64-Bit-Prozessoren klingt das nach wenig – es reicht aber schon aus, um das geschilderte Problem des Handlungsreisenden mit 15 zu sortierenden Wegpunkten zu lösen. Im Rahmen seiner „Q Experience“ stellt IBM diese massive Rechenleistung gegen Gebühr zur Verfügung. Und die IBM-Wissenschaftler arbeiten bereits an einer nächsten Quantencomputer-Generation mit 50 Qubits.

Vielfältige Anwendungen

Anwendungen für die neue Technologie gibt es jede Menge. Volkswagen nutzt sie beispielsweise dafür, neue Ansätze für die Steuerung von Verkehrsflüssen in Großstädten zu entwickeln. Dazu analysierte der Quantenrechner beispielsweise die Bewegungsdaten von 10.000 Taxis in Peking und optimiert ihre Routen. Auch Lieferketten in der Logistik lassen sich so verbessern. Zu den Einsatzfeldern von Quantencomputern zählen zudem die Simulation von Molekülen in Chemie oder Materialforschung, die Berechnung von Wettermodellen oder Risikobewertungen in der Finanzmathematik. Ebenso könnten laut IBM künstliche Intelligenz und Machine Learning von Quantencomputing profitieren.

Mit Hilfe des Quantencomputers möchte VW sowohl die Situation der individuellen Verkehrsteilnehmer als auch die städtische Verkehrsplanung optimieren. Foto: VW

Kopfzerbrechen bei Sicherheitsforschern

Allerdings birgt die neue Technologie auch Risiken. Vor allem Sicherheitsforschern bereitet sie Kopfzerbrechen. Denn aktuelle Verschlüsselungsverfahren, die etwa die Übertragung vertraulicher Daten oder den Zugang zu WLAN-Netzen schützen, basieren auf Berechnungen mit großen Primzahlen. Die Sicherheit ergibt sich daraus, dass ein Knacken des Schlüssels mit aktuellen Computern mehrere hundert Jahre benötigen würde. Quantencomputer lösen solche Aufgaben hingegen in Sekunden. Noch gelten gängige Verschlüsselungsverfahren wie RSA auch gegenüber „Quanten-Attacken“ als sicher, weil es noch keine Quantenrechner mit der erforderlichen Anzahl von Qubits gibt. Doch das könnte sich innerhalb der nächsten zehn Jahre ändern. Ein Lösungsansatz: Künftig sollen auch für die Erzeugung der Schlüssel von Chiffrierverfahren Quantencomputer genutzt werden. Die Sicherheit basiert dann auf einer weiteren Eigenschaft von Qubits: Würde die Verbindung abgehört, ändern sich allein dadurch die übermittelten Informationen. Sender und Empfänger könnten daran erkennen, ob sich ein Dritter in die Verbindung eingeschaltet hat.

Das Beste aus zwei Welten

Nicht nur Kanada, sondern viele Staaten und Forschungseinrichtungen investieren massiv in die neue Technologie. Einer der neuesten Trends: Eine Gruppe von Forschern von Microsoft, der Columbia-Universität New York und der ETH Zürich schlägt ein Konzept für einen Hybridcomputer vor. Er würde die klassische Arbeitsweise heutiger Rechner mit Quanten-Computing kombinieren. Das Beste aus beiden Welten zu verbinden klingt nach einer guten Idee – da würde sicherlich auch Premierminister Trudeau zustimmen.