Zusammenfassung von Wettlauf um die Zukunft

2019 entwickelte Google einen Prozessor namens „Sycamore“, der einen superschnellen Quantencomputer antrieb. Er konnte in nur zweihundert Sekunden eine hochkomplexe Wahrscheinlichkeitsrechnung lösen. Laut der Google-Forschergruppe hätte der damals schnellste Supercomputer der Welt namens „Summit“ für dieselbe Rechnung satte 10.000 Jahre benötigt. Das ist mehr als 1,5 Milliarden Mal so schnell.

Seitdem haben Gruppen wie das chinesische Quantum Innovation Institute und IBM sogar noch potentere Quantencomputer entwickelt. Aber Google beanspruchte mit Sycamore erstmals, einen experimentellen Beweis für die sogenannte Quantenüberlegenheit geliefert zu haben – also dafür, dass Quantencomputer komplexe mathematische Probleme effizienter lösen als der leistungsfähigste klassische Computer der Welt. 

Tatsächlich stoßen herkömmliche Computer an ihre Grenzen, wenn es darum geht, große mathematische Probleme in den Bereichen Medizin, Klimawandel, Treibstoffforschung oder Cybersicherheit zu lösen. Du hast vermutlich vom Mooreschen Gesetz gehört. (Intel-Gründer Gordon Moore sagte 1965 voraus, die Anzahl der leitfähigen Transistoren auf einem Mikrochip werde sich etwa alle achtzehn Monate verdoppeln – und damit die Geschwindigkeit unserer Rechner.) Moores Prophezeiung trifft bis heute zu, aber sie könnte schon bald überholt sein. Irgendwann lassen sich die Silizium-Transistoren auf unseren Chips nicht mehr weiter verkleinern. Wir werden die physischen Kapazitäten von Silizium als Halbleiter ausschöpfen. Und das Silicon Valley muss sich einen neuen Namen suchen.

Also was genau macht Quantencomputer so viel leistungsfähiger? Nun, ein herkömmlicher Computer stellt Informationen als Bits dar, also als binäre elektrische Signale, die nur zwei Zustände haben können: 1 oder 0. Entweder der Strom fließt, oder er fließt nicht. Quantencomputer überwinden die Beschränkung binärer Schaltkreise, indem sie Informationen als sogenannte Quanten-Bits oder Qubits darstellen, die theoretisch alle möglichen Zustände annehmen können: 1, 0 und alles dazwischen. Genau das macht Quantencomputer so unglaublich schnell: Sie können innerhalb kürzester Zeit multiple Rechenpfade auswerten, um die beste Lösung zu finden!

Dabei nutzen Qubits vor allem zwei Eigenschaften aus der Quantenphysik:

1. Die Superposition oder Überlagerung, also die Fähigkeit eines Atoms, verschiedene Zustände auf einmal annehmen zu können. Ein Quantencomputer kann theoretisch alle möglichen Zustände gleichzeitig auswerten, um den Weg des geringsten Widerstandes zu bestimmen und so ein Rechenproblem zu lösen.
2. Die sogenannte Quantenverschränkung. Manche Atome können ein enges Verhältnis mit einem zweiten Atom eingehen, in welchem sie auf eine Zustandsveränderung des jeweils anderen Atoms reagieren und Informationen miteinander austauschen. Sie können dieses Verhältnis trotz räumlicher Trennung aufrechterhalten.

Eine Möglichkeit zur Herstellung von Qubits ist also die Nutzung von Atomen. Man sperrt Ionen, also elektrisch geladene Atome, in ein elektrisches oder magnetisches Feld und versetzt sie mit Mikrowellenstrahlung in verschiedene Zustände. Mittels dieser Strahlung werden auch die Informationen an die Atome übertragen und wieder ausgelesen. Bei dieser Methode entspricht jedes Ion einem Qubit.

Damit sind wir auch schon bei der bislang größten Herausforderung dieser Zukunftstechnologie angelangt: der Kohärenz. Ein Quantencomputer funktioniert nur dann, wenn sein System komplett stabil ist. Aber Atome sind fragil und reagieren schon auf die kleinsten Störungen im Energiefeld. Darum mussten Forscherinnen und Forscher bei solchen Versuchen bislang Spezialgeräte verwenden, um die Temperaturen auf nahe dem Nullpunkt zu senken und unerwünschte Schwingungen zu vermeiden.

Aber immerhin schafft es die Natur, auch bei ganz normalen Temperaturen Kohärenz herzustellen – und zwar in alltäglichen Prozessen wie der Fotosynthese. Darum untersuchen Forschende solche natürlichen Vorgänge, um die Bedingungen für künftige Quantencomputer zu simulieren.

Wir sehen uns im Laufe dieses Blinks noch genauer an, wie Quantencomputer unser Leben verändern könnten. Aber zunächst rekapitulieren wir, wie die Technologie an diesen besonderen Punkt in der Entwicklung gelangt ist.