Quantencomputer: Believe the hype!

MARI€ hat die Antworten auf die wichtigsten Fragen rund um das Zukunftsthema Quantencomputing für dich zusammengefasst.

Wann es so weit sein wird, wagen die Fachleute noch nicht zu prognostizieren, aber die Forscherinnen und Forscher sind überzeugt: Quantencomputer, an deren Entwicklung weltweit mit Hochdruck geforscht wird, werden unser Leben revolutionieren. Um euch dafür zu wappnen, haben wir uns die wichtigsten Fragen zum Thema schon einmal angesehen.

Warum sollte man sich für Quantencomputer interessieren?

Die kurze Antwort: Weil hier eine Revolution in Riesenschritten näherkommt. Doch was macht Quantencomputer eigentlich so revolutionär? Klassische Computer stellen sämtliche Informationen in Bits dar, die entweder den Wert 1 oder den Wert 0 annehmen können. Je komplexer die Aufgabenstellungen, desto mehr Bits werden für eine rasche Berechnung benötigt. Im Gegensatz dazu arbeiten Quantencomputer mit Qubits, die viele Zustände gleichzeitig darstellen können. Dadurch erweitern sich die Rechenmöglichkeiten beträchtlich und die komplexesten Berechnungen und Simulationen sind möglich. 

Lange Zeit existierte das Konzept Quantencomputing nur auf dem Papier. In den letzten Jahren haben Forscherinnen und Forscher weltweit Erfolge erzielt, und auch die Wirtschaft entdeckt das Thema zunehmend für sich. Ende 2019 sorgte Google mit seinem Quantenprozessor "Sycamore" für weltweites Aufsehen. Nach Aussagen des Internet-Giganten habe der mit 53 Qubits arbeitende Rechner in einer Demonstration erstmals die Quantenüberlegenheit ("quantum supremacy") bewiesen. Dabei wurden Zufallszahlen nach einer speziellen Wahrscheinlichkeitsverteilung erzeugt. Die Verteilung wurde so gewählt, dass die entsprechende Aufgabe mit dem derzeit schnellsten Rechner der Welt 10.000 Jahre dauern würde, während der Sycamore-Prozessor dafür nur 200 Sekunden benötigte. Ende August wurde etwa bekannt, dass Amazon  - der weltgrößte Anbieter von Cloud-Computing - an einem eigenen Quantencomputer arbeitet. Kurz zuvor nahm IBM im deutschen Ehningen den ersten kommerziellen Quantencomputer Europas in Betrieb. Der aktuell leistungsstärkste Quantencomputer "Zuchongzhi" steht in China und verfügt über 66 Qubits.

Was können Quantencomputer?

Aktuell sehen die Forscherinnen und Forscher die erfolgversprechendsten Möglichkeiten von Quantencomputern vor allem im Bereich der Entwicklung neuer Materialien, die Strom so weit wie möglich verlustfrei leiten können. Vielversprechende Aussichten angesichts der Tatsache, dass aktuell 30 Prozent des weltweit erzeugten Stromes beim Stromtransport in den Netzen verloren geht. Auch die Entwicklung neuer Chemikalien und pharmazeutischer  Wirkstoffe eignet sich für Quantencomputer. Zusätzlich könnte auch der Bereich der Logistik – etwa bei der Optimierung von Zustellrouten – zu den frühen Profiteuren gehören.

Und was nicht?

Unsere herkömmlichen Computer ersetzen – zumindest auf absehbare Zeit. Um einen Quantencomputer zu betreiben, benötigt man Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt von minus 273 Grad Celsius. Also nicht gerade geeignet für den Heimgebrauch.  Die täglichen Einsatzgebiete von Computern wie Textbearbeitung oder das Abspielen von Musik oder Videos beherrschen klassische Computer besser und vor allem mit deutlich weniger Aufwand.

Wann können Quantencomputer in der Praxis eingesetzt werden?

Für viele Fachleute war Googles Meldung des erreichten Quantenvorteils Ende 2019 ein historischer Moment - vergleichbar mit dem ersten Flug der Gebrüder Wright. Wie bei den Anfängen der Luftfahrt ist es aber auch beim Quantencomputing noch ein weiter Weg bis zur breitenwirksamen praktischen Anwendbarkeit. So konnte der Quantenvorteil auch nur in einem Bereich erzielt werden, der von Quantencomputern besonders gut durchgeführt werden kann - der aber keine praktische Anwendung hat.

Quantencomputer, die wie heutige Computer frei programmiert werden können, um verschiedene Aufgaben zu lösen, erwarten die Forscher frühestens gegen 2030. Die Fachmeinungen über die für die Lösungen von praktischen Problemen benötigten Qubits gehen noch weit auseinander: Manche Experten gehen davon aus, dass schon 100 Qubits reichen würden, anderen tippen eher auf ein paar Millionen Qubits. Der nächste realistische Schritt dürfte die Kombination von klassischen Computern mit Quantencomputern sein.

Welche Rolle spielen österreichische Wissenschafterinnen und Wissenschafter oder Unternehmen bei der Erforschung?

"Österreich ist bei Quantencomputern europaweit führend und kann weltweit mithalten", sagt Quantenphysik-Pionier Rainer Blatt. "Wir haben schon die Möglichkeiten, entscheidend beizutragen. Wir haben zwar nicht die Infrastruktur und das Geld, das große Konzerne haben, aber wir haben sehr gute Leute und wir haben Ideen." Mit seiner "Alpine Quantum Technologies GmbH", einem Spin-off der Universität Innsbruck und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW), ist er auf dem Weg, in Österreich einen kommerziell nutzbaren Quantencomputer zu entwickeln. Diese Maschine soll Blatt zufolge nicht mehr Platz brauchen als zwei herkömmliche 19-Zoll-Server-Racks und möglichst modular aufgebaut sein, um je nach Einsatzzweck flexible Lösungen zu ermöglichen. Mit der Fertigstellung ist allerdings nicht vor 2025 zu rechnen.

Ebenfalls in Innsbruck arbeitet das Startup ParityQC als weltweit einziges Unternehmen für Quantum Architecture an der Entwicklung einer unabhängigen Hardware-Architektur mit der die derzeit vielen verschiedenen Plattformen, die bei Google, IBM oder NEC aus Japan entstehen, arbeiten können. Gründerin und Geschäftsführerin Magdalena Hauser will mit ihrem Team so die Blaupause für Quantencomputer liefern.

Und Anfang September konnte ein Team rund um den österreichischen Experimentalphysiker Anton Zeilinger von der Universität Wien und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und seinen chinesischen Kollegen Jian-Wei Pan einen Durchbruch bei ihrer Arbeit an einem praktikablen Fehlerkorrektur-Mechanismus für optische Quantencomputer verkünden.