P.M. Special CeBIT

Ein Computer, der die Regeln der Quantenwelt nutzt, könnte die gesammelte Leistung aller bisher gebauten Computer übertreffen.

Angekündigt war eine Weltsensation. Der Beginn einer neuen Ära: »Was wir hier entwickeln, hat das Potenzial, die bedeutendste Erfindung unserer Zeit zu werden«, erklärte der Physiker Geordie Rose, Gründer des kleinen kanadischen Unternehmens D-Wave Systems. Auf einer Supercomputer-Konferenz in Reno (USA) im vergangenen November führte er via verschlüsselte Datenleitung den Prototyp einer Maschine vor, die in naher Zukunft die Computertechnik revolutionieren soll. Eine Maschine, die eines Tages schneller rechnen soll als alle heutigen Computer zusammen.

Einen Quantencomputer.

Die kanadischen Forscher wollen die seltsamen Phänomene der Quantenwelt für Berechnungen nutzen, an denen konventionelle Computer scheitern – vom Durchforsten gigantischer Datenbanken bis zu kompliziertesten Modellsimulationen. Aber wie kann das funktionieren? Und was haben solche Maschinen mit Computern heutiger Bauart zu tun?

Die Antwort vermuten Physiker in einem tiefen Mysterium unseres Kosmos. Nach der Quantenphysik können sich Teilchen nämlich in merkwürdigen Überlagerungszuständen befinden. Mal verhalten sie sich wie Wellen, mal wie Teilchen. So kann ein Elektron etwa zwei Wege zugleich nehmen – erst wenn es gemessen wird, entscheidet es sich gleichsam für einen Zustand. Die Natur führt also pausenlos hypereffiziente »Quantenberechnungen« durch – das Universum selbst, so glauben Physiker wie Seth Lloyd vom Massachusetts Institute of Technology, ist nichts anderes als ein einziger, gigantischer Quantencomputer. Dieses Prinzip der atomaren Welt versuchen die Quantentechniker für ihre Wundermaschine zu nutzen.

Unsere heutigen Computer sind im Grunde ziemlich grobschlächtige Konstruktionen, denn sie rechnen nach den Regeln der »klassischen« Physik: Ein herkömmlicher Digitalrechner kennt nur zwei Zustände – Nein oder Ja, 0 oder 1, Strom oder kein Strom. Entweder oder. In der »unscharfen« Quantenwelt jedoch kann aus dem »Entweder oder« ein »Sowohl als auch« werden – auch wenn es unser alltägliches Verständnis der Welt sprengt.

Ein Quantenbit (Qubit), dargestellt etwa durch ein Photon, kann einen Überlagerungszustand einnehmen – also die Werte 0 oder 1 gewissermaßen repräsentieren. Und mit jedem Qubit, das dazukommt, vervielfacht sich die Zahl der darstellbaren Werte. Die Rechenkapazität wächst atemberaubend schnell: Mit drei Qubits könnte man bereits acht Werte simultan darstellen, mit zehn bereits mehr als tausend – und mit 250 Qubits schon mehr Zahlen, als es Atome im Universum gibt!

Die seltsamen Regeln der Quantenphysik erlauben es theoretisch, mit all diesen Werten gleichzeitig zu rechnen. Ein Quantencomputer gleicht einem Schachspieler, der alle möglichen Verläufe einer Partie gleichzeitig durchspielt. Die Power eines solchen Rechners lässt sich leicht anhand einer simplen Datenbanksuche verdeutlichen. Um in einem Telefonbuch durchschnittlicher Größe den Namen zu einer bestimmten Rufnummer zu finden, muss ein normaler Computer im Schnitt etwa 500000 Einträge prüfen. Ein Quantencomputer kommt mit 1000 Suchschritten aus, weil er so viele Einträge gleichzeitig erfasst.

Ein hypothetischer Quantenrechner könnte auch Probleme lösen, bei denen der notwendige Rechenaufwand ins Uferlose wächst. »Exponentiell« nennen Informatiker solche Probleme, an denen konventionelle Rechner zwangsläufig scheitern. Dazu gehört unter anderem die Zerlegung von großen Zahlen in ihre Primfaktoren. Bei kleinen Zahlen ist die Aufgabe bekanntlich simpel – jedes Kind lernt in der Schule, wie man etwa die Faktoren von 6 (2 und 3) findet.

Doch die Faktorisierung von Zahlen mit mehreren hundert Stellen überfordert alle heute existierenden Computer. Auf der Schwierigkeit dieses Problems beruhen wichtige Verschlüsselungsalgorithmen, von denen etwa die Sicherheit unserer Daten im Internet abhängt. Der amerikanische Mathematiker Peter Shor hat bereits 1994 einen Algorithmus, also eine Art Rechenrezept, entwickelt, mit dem sich auch riesige Zahlen binnen Sekunden faktorisieren ließen – mithilfe eines ausreichend leistungsfähigen Quantencomputers. Mit einem simplen Quantensystem aus sieben Atomkernen gelang es IBM-Forschern bereits 2001, die Zahl 15 in ihre beiden Faktoren 3 und 5 zu zerlegen.

Zu den gängigen Ansätzen für die »Hardware« eines Quantenrechners gehören so genannte »Ionenfallen«. Im Kern bestehen sie aus einem »Käfig«, in dem elektrische Felder geladene Atome festhalten und von der Umwelt isolieren. In diesem Schwebezustand können die Atome als Träger für Qubits fungieren. Mit Laserpulsen lassen sie sich beschreiben und auslesen (siehe Grafik). Mit einem solchen Aufbau haben Innsbrucker Forscher bereits acht Qubits – ein Quantenbyte – geschafft. Das Problem aller Quantenrechner ist allerdings die enorme Empfindlichkeit – die kleinste Störung zerstört das Arrangement der filigranen Quantenbits.

Der durchbruch, den D-Wave Systems nun verkündet hat, gelang auf einem anderen Weg. Herzstück des kanadischen Rechners ist ein kaum fingernagelgroßer Chip. Er besteht aus 16 kreisförmigen Leiterschleifen aus dem Metall Niob. Kühlt man diese Schleifen mit flüssigem Helium, verlieren sie ihren elektrischen Widerstand – sie werden zu Supraleitern und können Qubits tragen. Das Unternehmen behauptet, ihr »Orion«-System könne auf diese Weise bereits 28 Qubits darstellen. Allerdings bleiben manche Experten trotz der Online-Vorführung im November skeptisch. So bezweifelt etwa Rainer Blatt vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck, dass »Orion« überhaupt mit echten Qubits arbeitet. Um solche Zweifel zu zerstreuen, will D-Wave nun mit renommierten Universitäten kooperieren. Die Pläne sind jedenfalls ehrgeizig: Bis zur CeBIT wollen die Kanadier bereits 512 Qubits, bis zum Ende des Jahres sogar 1024 Qubits erreichen. Dann soll Orion auch erstmals kommerziell eingesetzt werden. Per Internet sollen potenzielle Kunden den Superrechner dann für aufwendige Simulationen, etwa im Banken- und Versicherungsbereich, nutzen können.

Ein Grund für das hohe Interesse an Quantencomputern liegt darin, dass die Miniaturisierung von Chips heutiger Bauweise zunehmend an Grenzen stößt. Wenn die Bauteile auf Nanogröße schrumpfen, beginnen die mysteriösen Quanteneffekte zu wirken – allerdings nur auf unkontrollierbare Weise. Ein Quantencomputer wäre der konsequente nächste Schritt.

Wird der Quantencomputer die Menschheit weiterbringen? Das vermag heute noch niemand zu sagen. Nur bei bestimmten Problemen, die sich in viele »parallele« Rechenschritte zerlegen lassen, kann ein solcher Rechner seine sagenhafte Überlegenheit ausspielen. Dazu gehören Datenbanksuchen und Simulationen, vor allem in der Grundlagenforschung. Und die Geheimdienste werden den Quantencomputer fürchten, weil er die heute üblichen Verschlüsselungssysteme bedroht. Vor allem aber wäre ein funktionierender Quantenrechner ein Triumph für die Wissenschaft.

Der Urgrund des Universums, so glauben viele Physiker, ist Quanten-Information. Ein Quantencomputer könnte der Beweis dafür sein.