"Du denkst zu klassisch!" – so funktionieren Quantencomputer

Vor wenigen Jahren noch klang er wie Science-Fiction, unterdessen gibt es sogar die ersten kommerziellen Geräte: Der Quantencomputer gewinnt laufend an Bedeutung, und das auch auf internationaler Ebene. Am 29. Oktober 2018 stellte die EU ein zehnjähriges Flaggschiffprogramm zur Erforschung von Quantentechnologien vor. Unter anderem will sie den leistungsfähigsten Quantencomputer der Welt konstruieren. Damit tritt sie in einen Konkurrenzkampf mit einigen amerikanischen Grossfirmen und China, wie "ETH News" berichtete. Jeder will ein Stück vom Quantenkuchen abhaben. Schliesslich sollen die Supercomputer ganz neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnen, die Nutzern von klassischen Rechnern bislang verwehrt blieben.

Unsere Computer kommen an ihre Grenzen. Das Mooresche Gesetz besagt, dass sich die Rechenleistung von Computern alle zwei Jahre verdoppelt. "Leider stimmt das heute nicht mehr so", sagt Andreas Fuhrer, Research Scientist bei IBM. Obwohl sich die Anzahl Transistoren bei Computerchips weiterhin verdoppeln, beobachten Forscher, dass die Performance der Geräte nicht mehr im selben Mass mitwächst, wie er sagt. Das sei einer der Gründe, weshalb Wissenschaftler an neuen Computertechnologien forschten. Laut Fuhrer ist das Quantencomputing hierbei ein vielversprechender Ansatz. Dieses Vorgehen ist erst in kleinem Rahmen möglich und es werde noch eine Weile dauern, bis Quantencomputer eine bessere Leistung erzielten als klassische Rechner. Doch hätten Forscher bereits zeigen können, dass künftig gewisse Rechenaufgaben exponentiell schneller zu lösen seien als mit einem klassischen Computer.

Der Quantencomputer verspricht viele Chancen, bringt aber auch Risiken. Laut Renato Renner, Professor für Theoretische Physik an der ETH Zürich, können heutige Kryptoverfahren der Rechnungsstärke des Supercomputers nicht widerstehen. Im Interview spricht er über die Risiken und die Cybersicherheit der Zukunft.

Die Quantenphysik, die gegen jede Intuition funktioniert

Wie funktioniert nun der Quantencomputer? "Setzt ihr einfach das Wort ‹Quanten-› vor alles?" Diese Frage aus dem Film "Antman 2" muss verneint werden. Der Wortteil wird nicht aus beliebigen Gründen verwendet. Die Quantenphysik beschreibt die Natur auf der mikroskopischen Skala und funktioniert nach anderen Regeln als die Physik in grösseren Dimensionen. Sie sei in manchen Aspekten schwierig zu verstehen, weil gewisse Grundprinzipien der Quantenphysik nicht intuitiv seien, sagt Fuhrer. Besonders eines dieser Prinzipien spiele beim Quantencomputer eine wichtige Rolle: die Superposition.

Während klassische Rechner auf Bits aufbauen, die entweder die Werte 0 oder 1 annehmen können, baut ein Quantencomputer auf sogenannten Qubits auf. "Qubits sind im Grunde auch nur Bits, aber mit zusätzlichen Funktionen", erklärt James Wootton, Research Scientist bei IBM. Die Qubits könnten nicht nur die Werte 0 oder 1 annehmen, sondern auch jeden Wert, der dazwischenliegt. Sie sind dann dank des Superpositionsprinzips gleichzeitig 0 und 1. Also könne ein einzelnes Qubit zur gleichen Zeit die Werte 0 und 1 haben. Ein klassisches Bit hingegen müsse sich für einen Wert entscheiden. Diese Gleichzeitigkeit der Zustände eröffne neue Möglichkeiten. Vereinfacht gesagt, erlauben die Qubits auf diese Weise, etwa eine Rechnung für mehrere Zustände gleichzeitig durchzuführen, während klassische Bits die Rechnungen hintereinander durchführen müssen, wie Fuhrer erklärt. Er verdeutlicht diesen Vorteil am Problem des "Travelling Salesman", des reisenden Verkäufers.

Das "Travelling Salesman"-Problem

Ein reisender Händler will etwa 16 Städte in Deutschland besuchen, um seine Waren zu verkaufen. Dazu will er den perfekten Reiseplan aufstellen: In welcher Reihenfolge muss er die Städte besuchen, um möglichst viel Zeit zu sparen? Fragt der Reisende nun seinen Computer nach der Antwort, wird das Gerät nacheinander jede mögliche Route durchgehen, die jeweiligen Distanzen zwischen den Städten vermerken und am Ende die Resultate miteinander vergleichen, um den kleinsten Wert zu präsentieren. Bei 16 Städten gibt es schon mehr als tausend Milliarden mögliche Wegkombinationen und mit jeder einzelnen Stadt mehr in der Rechnung erschwert sich das Problem für das Gerät exponentiell. In der Folge nimmt auch die Dauer zu, bis das Resultat geliefert wird, bis es zu lange dauert, um nützlich zu sein.

Ein Quantencomputer würde das Problem prinzipiell gleich wie der klassische Rechner angehen. Doch statt alle möglichen Kombinationen nacheinander auszuprobieren, würde er in diesem Fall die Reisezeit aller möglichen Wege gleichzeitig berechnen. Selbst wenn eine oder mehrere Städte zusätzlich in die Rechnung miteinbezogen würden, vergrössere dies die Schwierigkeit und die Lösungszeit für den Quantencomputer zwar, aber nicht exponentiell wie beim klassischen Computer. Deshalb werde eine Menge Zeit gespart, sagt Fuhrer.

Quantencomputer vs. klassischer Computer

Trotz dieser Vorteile geht Wootton davon aus, dass Quantencomputer den klassischen Computer nie komplett ersetzen werden. Es seien noch immer die klassischen Systeme, die Daten in den zukünftigen Supercomputer einspeisen und den Output der Geräte verarbeiten müssten. Auch gebe es keinen effizienteren Algorithmus zum Addieren von Zahlen als der, der bereits auf den klassischen Rechnern verwendet werde. Deshalb glaubt Wootton, dass Quantencomputer nur das täten, was klassische Rechner nicht könnten. So sind Quantencomputer etwa besonders stark bei Simulationen, etwa in der Chemie, und bei Optimierungen von bestimmten Prozessen, wie Fuhrer sagt. Auch seien sie stark darin, Zahlen in ihre Primfaktoren zu zerlegen – ein Vorgang, der klassischen Computern generell Schwierigkeiten bereite.

Fuhrer ergänzt, dass Quantencomputer nur Resultate lieferten, die mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit richtig seien. Deshalb müsse ein Algorithmus mehrere Male durchgeführt werden, damit sich ein Nutzer eines Resultats sicher sein könne. Der Quantencomputer sei damit jedoch immer noch schneller als ein klassischer Computer – oder werde es sein. Einen voll leistungsfähigen Quantencomputer gebe es nämlich noch nicht.

Der fehleranfällige Computer der Zukunft

Die Leistungsfähigkeit von Quantencomputern wird üblicherweise anhand der Anzahl Qubits angegeben. Bisher gibt es Quantenprozessoren mit 2 bis zu ungefähr 50 Qubits. Mehr ergäbe Probleme. Laut Fuhrer macht ein Qubit durchschnittlich alle 100 Mikrosekunden einen Fehler. Um eine Operation auszuführen, brauche es 100 Nanosekunden. Damit könne ein Qubit zwischen 100 und 1000 Operationen ausführen, bevor es einen Fehler mache. Entsprechend sei die Fehleranfälligkeit von Quantencomputern mit vielen Qubits höher als die von Geräten mit wenigen Qubits. Die Fehlerquote wird also mit der Anzahl Fehlerquellen grösser. Darum ist das universelle Ziel im Gebiet des Quantencomputings auch der fehlerkorrigierte Quantenrechner, wie Fuhrer erklärt.

Obwohl der voll leistungsfähige Quantencomputer noch mindestens zehn Jahre entfernt sei, gebe es bereits einen Markt dafür, sagt Fuhrer. IBM hat an der CES 2019 ein integriertes Quantencomputer-System für Wissenschaftler und Unternehmer lanciert, das 20 Qubits stark ist. Ausserdem will das Unternehmen 2019 noch ein kommerzielles Quantencomputer-Zentrum in den USA eröffnen.

Auch Schweizer Unternehmen sind bereits in den Markt eingestiegen. Ein Beispiel ist das Tech-Unternehmen Zurich Instruments. Die Firma ist auf die Entwicklung von Messgeräten für die dynamische Signalanalyse spezialisiert. Dabei ist das selbstfinanzierte Unternehmen schon früh mit dem Quantencomputing in Kontakt gekommen und stellt seit 2014 Geräte und Software für die Entwicklung von Quantencomputer her, wie Jan Benhelm, CMO von Zurich Instruments, sagt. Es gibt aktuell vor allem internationale Konkurrenz im Wettrennen um den Quantencomputer, wobei auch einige Schweizer Start-ups ihre Nische im neuen Wettbewerbsumfeld der Quantentechnologien suchen. Zurich Instruments fokussiert sich laut Benhelm auf die Steuerungselektronik und Software, mit der sich bis zu 100 Qubits kontrollieren lassen. Obwohl es momentan nur wenige Quantencomputer gebe und keinen, der so viele Qubits beinhalte, sei die Steuerelektronik heute der grösste Wachstumstreiber des Unternehmens, sagt Benhelm.

Nicht nur an Hardware, sondern auch an Software mangelt es

Die Fehlerquote ist eines der Hindernisse, die Quantencomputern noch im Weg stehen. Ein Weiteres ist der Mangel an Programmierern, die sich darauf verstehen, Algorithmen für die nächste Generation der Superrechner zu schreiben. Im Moment werden noch viele Konzepte schlicht von klassischen Computern auf den Quantencomputer übertragen, wie Doktorand Panagiotis Barkoutsos von IBM erklärt. Doch um das volle Potenzial der neuen Rechner nutzen zu können, sollten die Menschen anfangen, ihre Ideen spezifisch für Quantencomputer zu formulieren, so Barkoutsos. Deshalb habe er auch einen Kleber mit der Aufschrift "Du denkst zu klassisch" auf seinem Laptop angebracht. Um mehr Personen an die Materie heranzuführen, habe IBM vor einigen Jahren das Projekt "IBM Q Experience" gestartet. Über eine Webseite erhalten Interessierte so die Möglichkeit, eigene Programme auf Quantencomputern von 2 bis 5 Qubits laufen zu lassen. Ausserdem liefert das Unternehmen Informationen und Tools. Damit soll die Bekanntheit, das Interesse und das Know-how für die nächste Computergeneration gefördert werden, wie Barkoutsos sagt.

Wootton verfolgt einen anderen Ansatz, um die Bevölkerung mit der Thematik vertraut zu machen. Schon bevor er für IBM arbeitete, suchte er nach Wegen, um die neue Technologie der Öffentlichkeit näherzubringen, wie er erzählt. Er veröffentlichte 2016 ein Computerspiel, welches das Verständnis für die Funktionsweise des Quantencomputers verbessern sollte. Als IBM dann die "IBM Q Experience" startete, sei für ihn schnell klar gewesen, dass er auch Games für den Quantencomputer selbst entwickeln möchte. Mit seinen Produkten wolle er nicht nur die Bevölkerung mit dem Thema vertraut machen. Auch Programmierern soll ein Beispiel und eine Basis dafür gegeben werden, wie sie etwas auf dem Quantencomputer coden könnten. Aber so unterhaltsam diese Spiele auch sind, entwickeln Forscher auf dem Quantencomputer im Moment nicht nur Games.

Anwendungsbeispiele des Quantencomputers

Ivano Tavernelli, Research Scientist bei IBM, setzt sich mit Anwendungsmöglichkeiten des Quantencomputers im Bereich Chemie auseinander. Er sagt, dass der neue Superrechner etwa im Materialdesign eine wertvolle Rolle spielen könne. Für klassische Computer würden die Berechnungen von Molekülen mit jedem Elektron exponentiell schwieriger. Mit dem Quantencomputer könnten aber problemlos grössere Molekülstrukturen berechnet werden, erklärt Tavernelli. So könne ein Unternehmen effizienter neue Materialien entwickeln, Mischverhältnisse optimieren oder herausfinden, ob es sich überhaupt lohne, ein Material zu produzieren. Die Algorithmen zur Berechnung seien schon geschrieben, es fehle nur noch die Hardware.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel liefert Stefan Woerner, ebenfalls Research Scientist bei IBM. Er setzt sich mit dem Bereich Finanzen auseinander. So könnte eine künstliche Intelligenz auf einem Quantencomputer eine Zweitmeinung zu einer Bewertung einer Ratingagentur liefern. Damit würden Fehler vermieden und mögliche Befangenheiten umgangen. Weiter könnte die neue Generation Supercomputer für die Pricing- und Risk-Analyse eingesetzt werden. Heute wisse man teilsweise erst Tage später, wo rückblickend die wirtschaftlichen Risiken zu einem bestimmten Zeitpunkt gelegen hätten. Das liege daran, dass die Berechnung und Simulation der wirtschaftlichen Entwicklungen manchmal Tage bis Wochen dauere. Mit einem Quantencomputer wird es laut Woerner möglich sein, Entwicklungen im Markt innerhalb weniger Stunden zu simulieren und entsprechend zu reagieren.

Optimierungen, Simulationen, Berechnungen riesiger Datenmengen innert kürzester Zeit, neue Arten von Games – der Superrechner könnte überall neue Möglichkeiten eröffnen, sei es in Wissenschaft, Wirtschaft oder Unterhaltung. Auch die Cybersecurity wird durch ihn mit einer ganz neuen Herausforderung konfrontiert werden. In 10 bis 20 Jahren soll der erste Quantencomputer das Licht der Welt erblicken, der die Leistungen der klassischen Computer übertrifft. Bis dahin werden Forscher und Programmierer eifrig Software schreiben und neue Anwendungsgebiete suchen. Doch wie Renato Renner, Professor für Theoretische Physik an der ETH Zürich, sagt: "Es ist wie damals, als das erste Smartphone erschienen ist. Es wird schwierig vorherzusagen, welche Anwendungen das Gerät ermöglichen wird." Vorerst heisst es also abwarten.