Auf den Quantensprung warten

Du rechnest noch mit Bits? Wie altmodisch. Die coolen Kids setzen heutzutage auf das subatomare Reich der Quantenphysik. Im Folgenden ein Artikel über Quantencomputer aus dem Jahr 2018. Seitdem ist so einiges Neues passiert – unten ein Update mit aktuellsten Entwicklungen.

Quelle: Google

Der folgende Artikel ist aus dem April 2018. Am Ende findest du ein Update mit neuen Entwicklungen.

Seit den 60er-Jahren bestimmt Moore’s Law die Entwicklung der Rechenleistung unserer Computer: Gleich einem Naturgesetz sagte der Intel-Gründer und Pionier der Halbleiterentwicklung damals voraus, dass sich die Anzahl der Komponenten eines integrierten Schaltkreises bei gleichbleibenden Materialkosten regelmäßig verdoppeln werde. 1975 legte er dabei den Richtwert von zwei Jahren pro Iterationszyklus an. Auf gut Deutsch: Alle zwei Jahre verdoppelt sich die Rechenleistung von Computerchips, weil Hersteller es schaffen, die doppelte Anzahl an Transistoren auf die gleiche Fläche zu stopfen. Bisher erwies sich Moores Vorhersage als bemerkenswert genau: Die angekündigte exponentielle Entwicklung von Computern schreitet bis heute voran.

So lässt sich auch der rasante Fortschritt der letzten drei Jahrzehnte erklären, in denen turnhallengroße Supercomputer auf die Größe einer Armbanduhr schrumpften. Doch Moore’s Law kann nicht für immer gelten. Spätestens wenn die benötigten Komponenten die Größe eines Wasserstoffatoms unterschreiten müssten, ist Schluss. Und bereits heute gehört es zum guten Ton unter Wissenschaftsjournalisten, das Ableben von Moore’s Law zu verkünden.

All hail the Quantum

Zum Glück gibt es eine zumindest theoretische Lösung: Quantencomputer. Wo herkömmliche Computer Informationen nur in sehr beschränkter, eben binärer Komplexität ausdrücken können, machen Quantencomputer von den Phänomenen der Quantenmechanik Gebrauch. Anstelle von Bits, welche eine 1 oder eine 0 annehmen können, bestehen die „qubits“ von Quantencomputern in der sogenannten „Superposition“, in welcher mehrere Zustände gleichzeitig bestehen können. Transistoren benötigen sie auch keine, was das Problem des endlichen Wachstums scheinbar löst. In der Theorie zumindest, denn die Technologie steckt noch in den Kinderschuhen. 

Wie weit wir genau von voll einsatzfähigen Quantencomputern entfernt sind, ist aufgrund der Geheimhaltung in der Entwicklung schwer zu sagen. Prototypen gibt es jedoch zur Genüge: IBM lässt die Öffentlichkeit in der Cloud an einem 5-qubit-Quantencomputer spielen und erst vor Kurzem stellte Google einen neuen Quantenprozessor vor, der mit 72 qubits womöglich mehr Rechenleistung als ein konventioneller Computer hat. Daraufhin wurde in zahlreichen Medien das Erreichen der sogenannten quantum supremacy, also die technische Überlegenheit gegenüber normalen Computern, verkündet. Das könnte etwas verfrüht gewesen sein.

Die kanadische Firma D-Wave, das einzige Unternehmen welches bisher tatsächlich Quantencomputer verkauft hat (für den deftigen Preis von 15 Millionen Dollar) hat bereits einen Computer mit 2.000 qubits entwickelt und arbeitet an einem Modell mit 4.000 qubits – also ganze 55 Mal mehr qubits als der umjubelte Google-Prozessor. Warum werden auf unseren Schreibtischen dann noch keine Quanten hin- und hergeschossen?

Erstens, weil Quantencomputing einfach wirklich schwierig ist. Neben hohen Fehlerquoten ist vor allem die Stabilität des Systems ein großes Hindernis. Qubits sind teilweise nur Mikrosekunden lang stabil und wenn die Rechenoperation in dem Zeitraum nicht abgeschlossen ist, geht der gesamte Fortschritt verloren. Zweitens, weil Quantencomputer nicht gleich Quantencomputer ist. Die verschiedenen Entwickler arbeiten mit unterschiedlichen Ansätzen. Der 4.000-qubit-Rechner ist beispielsweise deutlich instabiler als das 72-qubit-System.

Festzuhalten ist: Für den Großteil der Aufgaben ist ein Quantencomputer heutzutage noch weniger gut geeignet als ein herkömmlicher Laptop – also weit weg von Supremacy. Quantum Angry Birds? Schlussmachen per Quantum-Text? Quantum-Prokrastination im Büro? Leider alles noch nicht möglich.

Schrödinger’s Funding

Doch da es ziemlich sicher ist, dass Quantencomputer realisierbar sind, fließt das Wagniskapital immer stärker in die Industrie und der Wettlauf zwischen Firmen sowie Staaten hat Fahrt aufgenommen. In den Vereinigten Staaten konkurrieren beispielsweise Google, IBM, Microsoft und Intel bereits seit einiger Zeit um den Durchbruch und bringen verschiedene Quantencomputing-Techniken mit unterschiedlichen Stärken und Schwächen ins Rennen. Alle drei Firmen stützen sich dabei auf die Arbeit von Robert Schoelkopf, Physikprofessor in Yale. Doch auch Schoelkopf selbst will im Wettkampf um die Revolution mitspielen und hat seine eigene Firma gegründet. Insgesamt sind weltweit rund 70 Unternehmen damit beschäftigt, Quantencomputer zu entwickeln (Liste).

Ein besonderes Interesse haben Geheimdienste. Die Technologie hat hohes Potenzial, herkömmliche Verschlüsselung zu durchbrechen und würde es dem Pionier erlauben, zumindest kurzzeitig die Geheimdienst-Konkurrenz auszustechen. Bereits 2014 enthüllte Edward Snowden Dokumente, nach denen die NSA unter strengster Geheimhaltung daran forscht, wie sie von Quantencomputern profitieren kann.

International zeichnet sich ein Konflikt um die Quanten ab, denn auch China drängt auf den Durchbruch. Chinesische Firmen und Wissenschaftler liefern sich mittlerweile ein Kopf-an-Kopf-Rennen mit ihren amerikanischen Konkurrenten. Chinas großer Vorteil ist, dass technologische Initiativen, die im nationalen Interesse liegen, zentral organisiert und auf diese Weise mit immensen Ressourcen ausgestattet werden. Die EU besitzt währenddessen zwar einen Großteil der Talente und Expertise, allerdings nur einen Bruchteil der Forschungsambition. Nun will das die Europäische Kommission ändern und hat einen Topf über eine Milliarde Euro aufgestellt, der Europa ab diesem Jahr wieder „an die Spitze der Quantenrevolution bringen“ soll.

In der Welt der Quantencomputer herrscht also Aufbruchsstimmung und wir können uns sicher sein, schon bald wieder von supremacy zu lesen. Und das dann vielleicht gerechtfertigt.

Update Nov 2019: Willkommen, Quantum Supremacy?

Meine (zugegeben nicht allzu kontroverse) Prognose hat sich bewahrheitet: Im Oktober 2019 (und geleakt bereits einen Monat zuvor) stellte Google ein 53-qubit-System vor, welches eine komplizierte Berechnung in 200 Sekunden geschafft hat, für welche der schnellste Supercomputer der Welt 10.000 Jahre benötigen würde. Das wäre eine Weltneuheit. Bislang waren Quantencomputer zwar gelegentlich schneller als ihre digitalen Konterparts, doch sie haben noch nie ein Problem gelöst, welches für herkömmliche Rechner quasi unmöglich ist.

Zwei Dinge sind festzuhalten. Erstens: Stimmt Googles Ansage, wäre Quantum Supremacy erreicht. Nicht alle sind überzeugt. Konkurrent IBM wirft Google vor, sich verrechnet zu haben. Statt 10.000 Jahren bräuchte besagter Supercomputer nur 2,5 Tage. Verrechnungen um den Faktor 1,5 Millionen kannte bislang eigentlich nur mein Steuerberater, doch nun sieht sich auch Google dem Vorwurf ausgesetzt. Hätte IBM recht, wäre es das mit der Supremacy gewesen. Ob es eine Rolle spielt, dass der Supercomputer („Summit“) aus dem Hause IBM stammt? Womöglich. Doch du wärst auch eingeschnappt, wenn du den schnellsten Supercomputer der Welt baust und dann jemand sagt, dass er gar nicht so beeindruckend sei.

Zweitens: Das heißt nicht, dass der Quantencomputer praktische Aufgaben lösen kann. Davon sind wir nach wie vor weit weg. Stell dir den Rechner wie einen inselbegabten Super-Savant vor: Er kann jedes Buch, dass er gelesen hat, wortgenau wiedergeben und hat mit neun bereits einen besseren Uni-Abschluss als du, doch beim Schuhebinden geht er in Flammen auf.

Bereits im Jahr 2018 hatte Google ein System vorgestellt, welchem Quantum Supremacy zugesprochen worden war – darüber schrieb ich im ursprünglichen Artikel. Schnell wurde klar, dass das System zu instabil war, um Supercomputern überlegen genug zu sein. Die von den Medien ausgerufene Weltrevolution musste kurz darauf wieder zurückgerollt werden. Das neue System hat zwar nur 53 qubits, ist aber deutlich stabiler. Vor allem das Problem des „crosstalks“, bei welchem sich qubits gegenseitig stören, sei gut gelöst worden.

Die Entwicklung ist beachtlich und weist den Weg zu breiter einsetzbaren Quantencomputer. Diese könnten in Feldern wie Mathematik, Chemie, Künstliche Intelligenz, Kryptographie (so, Buzzword-Quote erfüllt) und mehr für massive Fortschritte sorgen. Steinig und schwer ist der Weg allerdings doch. Intels Quantencomputing-Chef Jim Clake spricht von „der ersten Meile eines Marathons“. Doch wenn „Sub 2 hour“-Marathons möglich sind, dann ist „subatomic computation“ ja wohl ein Kinderspiel.

Und was passiert jenseits von Google? D-Wave, deren Maschine ich oben als Beispiel für „Die Zahl der qubits allein macht es nicht aus“ angeführt habe, lässt sich nicht beirren. Ihr neuester Quantencomputer „Advantage“ hat 5.000 qubits – und durfte VW in kleinem Maße beim Lösen des Traveling-Salesman-Problem helfen.

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