Quantencomputing: Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts

Einfach erklärt ist ein Quantencomputer ein Prozessor, der die Gesetze der Quantenmechanik nutzt, um Berechnungen auszuführen. Damit ermöglicht er sehr präzise Simulationen von kleinsten physikalischen Teilchen (z. B. von Atomen und Molekülen), da gerade hierbei die Quantenmechanik von Bedeutung ist. Ein Prinzip, das auch bei einer Vielzahl von alltagsrelevanten Fragestellungen weiterhilft. Seine Arbeitsweise unterscheidet sich zum klassischen Computer, der auf Basis klar definierter elektrischer Zustände arbeitet: Denn ein Quantencomputer nutzt die Wechselwirkung quantenmechanischer Zustände, die mittels Wahrscheinlichkeiten beschrieben werden. Um Quantum Computing zu verstehen, sind zwei physikalische Prinzipien bzw. Zustände von elementarer Bedeutung: Die Quantenverschränkung und das Superpositionsprinzip. Wo klassische Computer und Supercomputer mit ihren Prozessoren auf dem neuesten Stand klar an ihre Grenzen kommen, verspricht Quantencomputing dank wesentlich leistungsfähigerer Rechenkapazitäten neue Lösungen für bisher noch unlösbare Aufgaben.

Um die Funktionsweise eines Quantencomputers zu verdeutlichen, betrachten wir zunächst die Berechnungsweise von Daten in einem klassischen Computer: Er folgt linearen Berechnungen, die nacheinander stattfinden. Beispielsweise bei der Berechnung einer optimalen und zeitsparenden Streckenreihenfolge für den Besuch verschiedener Orte – auch bekannt als das Travelling Salesperson Problem und vor allem in der Logistik und Tourenplanung eine zentrale Herausforderung. Um die optimale Strecke zu ermitteln, simuliert ein Computer nacheinander alle verschiedenen Fahrtwege unter Berücksichtigung von speziellen Faktoren und empfiehlt auf Basis all dieser Berechnungen eine Strecke.

Wie funktioniert ein Quantencomputer bei solch einer Berechnung? Kurz gesagt: So wie mehrere klassische Computer gleichzeitig. Denn ein Quantenprozessor führt nicht nur eine, sondern parallel mehrere Berechnungen durch und ermittelt auf dieser Grundlage schneller die optimale Route. Wie ist das möglich? Quantencomputer bauen in ihrer Funktionsweise nicht auf einem klassischen Bit (binary digit) als kleinste Informationseinheit, sondern einem Quantenbit auf – auch Qubit genannt. Daten werden aufgrund der Eigenschaften von Qubits anders als bei heutigen Computern nicht nacheinander, sondern gleichzeitig durchsucht und verarbeitet. Ein wahres Wunder in Sachen Multitasking, das sich mit jedem weiteren Qubit exponentiell steigern lässt.

Ein Qubit bzw. Quantenbit ist das quantenmechanische Gegenstück zum klassischen Bit und die Grundrecheneinheit in Quantencomputern. Während Bits technisch gesehen auf Ladungen in elektronischen Schaltungen basieren, werden beim Quantencomputing derzeit verschiedene Varianten für Quantenbits genutzt. Qubits können aus Atomen, Ionen, Elektronen oder sogar Photonen bestehen, wobei jeweils unterschiedliche Materialsysteme zur Anwendung kommen können. Teilweise werden zusätzlich Effekte wie die Supraleitung genutzt, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen.

Anders als ein Bit kann ein Qubit zwei Werte bzw. Zustände gleichzeitig einnehmen. Während ein Bit also im Binärsystem entweder den Zustand 0 oder 1 annimmt, kann ein Qubit für eine bestimmte Zeitspanne beide Zustände gleichzeitig annehmen. Ein riesiger Vorteil entsteht einem Quantencomputer nun dadurch, dass ein Rechenschritt gleichzeitig auf alle vorhandenen Zustände wirkt. Ein Qubit kann somit parallel mehrere Berechnungen zur gleichen Zeit durchführen ­und aus genau dieser besonderen Eigenschaft resultieren überragende Rechenleistungen, die sich exponentiell steigern lassen. In puncto Qubit vs Bit gibt es somit bei Berechnungen in der Theorie einen deutlichen Sieger – wobei sich die Rechenleistung von Qubits je nach Fragestellung limitiert darstellt und zum Teil nicht anwendbar ist. Diesen Sieg verdanken Quantencomputer zwei Schlüsselprinzipien der Quantenphysik: Der Quantenverschränkung und Superposition.

Das erste Schlüsselprinzip von Quantencomputern ist die Quantenverschränkung: Qubits sind in der Lage, miteinander in einer Verbindung zu stehen, die man Verschränkung nennt. Sie stehen beispielsweise durch ihre Magnetfelder in einer speziellen Art von Wechselwirkung, die ihr jeweiliges Verhalten voneinander abhängig macht. Sie sind auf eine gewisse Art fest miteinander verbunden; und dabei ist es teilweise sogar egal, wie weit sie voneinander entfernt sind. Wird also ein Qubit verändert, nimmt das mit ihm verschränkte Qubit ohne jegliche Zeitverzögerung und unabhängig von der Distanz eine dazu passende Veränderung an – eine wirklich erstaunliche Gesetzmäßigkeit.

Ein bildliches Beispiel, das die Quantenverschränkung einfach erklärt: Beeinflusst man ein einzelnes Qubit auf dem Mond, werden zeitgleich auch alle seine Partner-Qubits auf der Erde, die mit ihm verschränkt sind, beeinflusst. Ein weiteres Beispiel, das die Quantenverschränkung einfach erklärt, ist das klassische Hütchenspiel – in diesem Fall mit nur 2 Hütchen. Als neutraler Beobachter wissen wir nicht, unter welchem Hütchen sich eine Erbse befindet. In diesem Moment hat jedes Hütchen zwei Zustände: „Erbse drin“ und „keine Erbse drin“. Erst beim Anheben eines der Hütchen erkennt man den Zustand und weiß damit auch sofort das Ergebnis beim Anheben des zweiten Hütchens. Das funktioniert auch, wenn beide Hütchen vor dem Anheben in verschiedene Räume gebracht werden. Beim klassischen Spiel ist schon vor dem Anheben die Erbse unter einem der beiden Hütchen platziert worden. In der Quantenmechanik ist das verblüffenderweise nicht der Fall: Die Erbse entscheidet sich erst beim Anheben eines Hütchens, unter welchem sie auftaucht.

Beeinflussen lässt sich mit der Quantenverschränkung auch die Rechenleistung eines Quantencomputers, denn sie steigt mit der Anzahl seiner eingesetzten Qubits. Umso mehr miteinander verschränkte Qubits vorhanden sind, umso mehr Zustände können zeitgleich berechnet und verarbeitet werden. Prinzipiell lassen sich zwar jegliche Berechnungen auf einem Quantencomputer auch durch eine Abfolge von unterschiedlichen Operationen an jeweils nur zwei nacheinander verschränkten Qubits erzielen, das kann aber teilweise deutlich mehr Rechenschritte erforderlich machen. Der Zustand der Verschränkung macht zudem das Rechnen mit Algorithmen erst möglich, weil mit ihm die Qubits kontrollierbar werden. Wenn alle Qubits vollkommen unabhängig voneinander wären, wäre ein Rechnen unmöglich. Das ist im klassischen Computer nicht anders: Wenn man zwei Zahlen addiert und das Ergebnis nichts damit zu tun hat, welche Zahlen man eingegeben hat, ist das Rechnen nutzlos. Genauso verhält es sich mit den Qubits: Erst die Abhängigkeit des Verhaltens ermöglicht ein gezieltes Rechnen.

Das zweite Schlüsselprinzip von Quantencomputern ist die Superposition: Eine besondere Eigenschaft von Qubits, für eine bestimmte Zeitspanne (Koheränzzeit) zwei oder mehr Zustände gleichzeitig annehmen zu können. Auf die quantenmechanische Koheränzzeit, die den Bruchteil einer Sekunde bis hin zu mehr als einer Stunde betragen kann, folgt sogleich der Verlust von Superposition (und Verschränkung) – auch Dekohärenz genannt. Bei einem einzelnen Qubit mag das noch nicht so beeindruckend sein; spannend wird es mit dem Hinzufügen von weiteren Qubits: Mit zwei Qubits sind vier Zustände gleichzeitig möglich, mit zehn schon über 1000, und mit 20 bereits über eine Million. Mit jedem Qubit verdoppelt sich die Anzahl der Informationen, die im System gespeichert werden kann. Schon mit ein paar Dutzend Qubits sprengen Quantencomputer die Speicherfähigkeit der leistungsfähigsten klassischen Computer. In Kombination mit der Verschränkung, die ein Rechnen auf all diesen Zuständen gleichzeitig ermöglich, wird daraus ein ziemlich leistungsfähiges System.

Somit lösen sich auch die beiden Fragen des Einleitungstextes, was Superpositionen mit der Funktionsweise zu tun haben und warum ein Quantencomputer diesen Artikel längst durchgelesen hätte: Denn aufgrund der Superposition hätte ein Quantencomputer in der Theorie jeden Absatz dieses Artikels parallel analysieren können und ebenso schnell seine Erkenntnisse daraus gezogen. Ein weiteres Beispiel für die Superposition ist die Teilnahme eines Quantencomputers an einer Lottoziehung. Während wir Unmengen von Lottoscheinen ausfüllen müssten, um gute Chancen auf den Hauptgewinn zu haben (statistisch rund 1:140 Millionen), überlässt ein Quantencomputer nichts dem Zufall und hat mit einem einzigen Schein immer sechs Richtige und die Superzahl. Auf fast magische Art und Weise erscheinen immer die richtigen Kreuze, wenn man den Lottoschein aus dem Umschlag zieht. Ein sehr begabter Lottospieler, oder? Das Superpositionsprinzip birgt somit ein enormes Potential für viele Bereiche und gibt eine erste Erklärung auf den weltweiten Wettlauf um die leistungsfähigsten Quantencomputer.

Der Computer in Ihrem Gerät, mit dem Sie diesen Artikel gerade lesen, war für Jahrzehnte nur eine theoretische Annahme. Und der weltweite Wettlauf um den leistungsfähigsten Computer ist immer noch in vollem Gange. Vergleichbar sieht es heute bei Quantencomputern aus, für die trotz erster Erfolge ein breitflächiger Einsatz wohl noch viele Jahre auf sich warten lassen wird. Können Quantencomputer sich in Zukunft also wie einst Computer schneller als gedacht universal durchsetzen und gibt es schon Quantencomputer, die ihren Weg über die Theorie hinausgeschafft haben? Schauen wir uns dafür den Quantencomputer und seine Historie an.

Das erste Quantum an Wissen darüber, wie sich Quantenmechanik für Berechnungen nutzen lässt, wurde erstmals Ende der 50er-Jahre beschrieben und über die Jahrzehnte von vielen Wissenschaftlern weitergedacht – doch starten wir mit Zweifeln eines bekannten deutschen Physikers, der die Quantentheorie maßgeblich mitentwickelt hat:

• 1935: Der deutsche Physiker Albert Einstein, US-amerikanische Physiker Boris Podolsky und US-amerikanisch-israelische Physiker Nathan Rosen zweifeln in einem wissenschaftlichen Aufsatz (Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete?) die quantenmechanische Vorstellung der Welt an. Eine Annahme, die in den folgenden Jahrzehnten widerlegt werden sollte.
• 1959: Richard Feynman, US-amerikanischer Physiker und Nobelpreisträger, hält an der Universität am California Institute of Technology einen Vortrag dazu, wie sich Technologie auf eine mikroskopische Ebene bringen lässt.
• 1980: Paul Benioff, ebenfalls US-amerikanischer Physiker und einer der Pioniere der Quanteninformationstheorie, schlägt die erste theoretische Grundlage eines Quantencomputers vor.
• 1985: David Deutsch, ein israelisch-britischer Physiker auf dem Gebiet der Quanteninformationstheorie, beschreibt an der University of Oxford, wie sich das Modell eines herkömmlichen Computers mit der Quantentheorie simulieren lässt. Die Geburtsstunde der Beschreibungen eines universell verwendbaren Quantencomputers.
• 1994: Peter Shor, amerikanischer Mathematiker und Informatiker, erfindet den Shor-Algorithmus, der als Zerlegung von Zahlen eingesetzt werden kann und eine bahnbrechende Entwicklung ist. Mit seinem Algorithmus können Quantencomputer nun theoretisch komplizierte Verschlüsselungen effizient decodieren.
• 1995: Peter Zoller, ein österreichischer theoretischer Physiker und Ignacio Cirac, ein spanischer Physiker, schlagen die Implementierung eines Quantencomputers mit kalten Ionen vor. Eine erste Rechenoperation nach diesem Prinzip wird noch im selben Jahr von Christopher Monroe und einer Gruppe amerikanischer Wissenschaftler am NIST (National Institute of Standards and Technology) demonstriert.
• 1998: Jonathan A. Jones, britischer Physiker und Michele Mosca, kanadischer Mathematiker, präsentieren an der Oxford University den ersten Quantencomputer. Aller guten Dinge sind zwei, um die erste theoretische Idee von Richard Feynman aus dem Jahr 1959 nun praktisch umzusetzen.
• 1999: Aus zwei wird drei – im Almaden Research Center in Kalifornien wird ein Jahr später der erste Quantencomputer mit 3 Qubits von IBM präsentiert.
• 2000: Ein erster funktionsfähiger 5-Qubit-Rechner wird an der Technischen Universität München demonstriert.
• 2005: Nach 5 Jahren wird das nächste Level erreicht – an der Universität Innsbruck wird von der Arbeitsgruppe um den österreichischen Physiker Reiner Blatt der erste Quantencomputer mit 8 Qubits präsentiert.
• 2006: Umso schneller dafür die Entwicklung eines Quantencomputers mit 12 Qubits, den Forscher des Institute for Quantum Computing, des MIT und des Perimeter Institute for Theoretical Physics erreicht haben.
• 2010: Eine Gruppe von Physikern um Dr. Arno Rauschenbeutel hat an der Johannes Gutenberg Universität in Mainz eine glasfaserbasierte Quantenschnittstelle zwischen Licht und Atomen realisiert, die sich zur Übertragung von Quanteninformationen eignet.
• 2017: Das Wettrennen um die meisten Qubits nimmt Fahrt auf – IBM präsentiert der Öffentlichkeit einen funktionsfähigen Quantencomputer mit 17 Qubits und verkündet noch im gleichen Jahr die Arbeit an 50
• 2018: Auch Google ist mit von der Partie und erreicht mit 72 Qubits einen weiteren Durchbruch in der Entwicklung. Der Google-Forscher Julian Kelly spricht von einer „Quantum Supremacy“ (gemeint ist die Überlegenheit von Quantencomputern gegenüber herkömmlichen Supercomputern bei der Lösung komplexer Probleme), die mit diesem Quantencomputer erreicht werden könnte – aber zu diesem Zeitpunkt noch nicht belegt wird.
  
  Im gleichen Jahr wird in Innsbruck das Start-Up „Alpine Quantum Technologies“ um die Quantencomputing-Pioniere Reiner Blatt und Peter Zoller gegründet, um auf Ionenfallen basierte Quantencomputer zur Marktreife zu bringen.
  
  Zudem geht das finnische Start-Up „IQM“ mit einer supraleitenden Plattform an den Start – mittlerweile eine der bestfinanziertesten europäischen Firmen in diesem Bereich.
• 2019: Auf der Technikmesse CES in Las Vegas wird das „Q System One“ mit 20 Qubits von IBM vorgestellt – das erste Quantencomputer-System, das zukünftig von einem Rechenzentrum aus als Cloud-Anwendung zur Verfügung stehen soll. Erstmals wird zudem ein integriertes System präsentiert, bei dem alle notwendigen Komponenten wie Kühlung und Steuerung in einem Gerät verbaut sind.

Einen weiteren Meilenstein liefern die Forscher im selben Jahr bei Google: Mit einem Chip namens „Sycamore“, der über 53 Qubits verfügt, beanspruchen sie nun den Nachweis der Quantum Supremacy – die Quantenüberlegenheit gegenüber klassischen Computern – anhand einer komplexen Berechnung von Zufallszahlen. Sycamore löste diese Aufgabe in 3 Minuten und 20 Sekunden – während der zu dieser Zeit leistungsfähigste Supercomputer dafür schätzungsweise 10.000 Jahre gebraucht hätte. Vorerst jedoch nur eine Machbarkeitsstudie zur Demonstration der Rechenleistung, die noch nicht praxistauglich ist.

• 2021: In Ehningen bei Stuttgart geht das erste kommerzielle, europäische Quantencomputer-System von IBM in Zusammenarbeit mit der Fraunhofer-Gesellschaft in Betrieb. Mit Hilfe dieses Systems wird nun an konkreten Anwendungen für die neue Technologie geforscht.

Nach jahrzehntelanger Theorie sind Quantencomputer in ihrem Stand der Technik nun also reif für Praxis und anwendungsbezogene Versuche. Trotzdem steckt die Technologie noch in den Kinderschuhen. Einen eigenen Quantencomputer kaufen kann man als Privatperson heute noch nicht – es gibt aber bereits jetzt Zugangsmöglichkeiten über Cloud-Systeme, die für einfache Fragestellungen sogar kostenlos sind. Auch wenn vieles Zukunftsmusik ist, nimmt der Wettlauf um die nächste digitale und industrielle Revolution bereits seit Jahren volle Fahrt auf und auch Deutschland mischt in dieser Entwicklung mit. Dafür hat die Bundesregierung im Jahr 2021 unter Angela Merkel 2 Milliarden Euro freigegeben. Mit einem klaren Ziel: Bereits im Jahr 2026 sollen deutsche Quantencomputer mindestens 100 individuell ansteuerbare Qubits aufweisen, die auf bis zu 500 Qubits skalierbar sein sollen. Ein folgerichtiger Schritt für die Zukunft, da die Entwicklung von Supercomputern langsam, aber sicher an ihre physikalischen Grenzen stößt. Zudem ist Deutschland bereits jetzt ein international wichtiger Lieferant für Bauteile der Quantentechnologie, wie zum Beispiel optische Quantensensoren, Laser oder Laborausrüstung.

Ein weiterer realistischer Schritt in die Praxis ist die Kombination von normalen Computern mit Quantencomputern, um die Schwelle zur Anwendung zu senken. In diese Richtung laufen bereits seit einigen Jahren Untersuchungen von der kanadischen Firma D-Wave. Hierbei führt ein sogenannter Quantenannealer (eine eingeschränkte Variante eines Quantencomputers) bestimmte Berechnungen durch, während der klassische Computer die verbleibenden Rechnungen übernimmt. VW testete bereits mit solchen Misch-Computern, die 1.135 Qubits enthielten, zum Beispiel Navigationssysteme, mit denen man den Verkehr optimal steuern kann.

Ob für die Entwicklung von Medikamenten, neuer Materialien, ausgefeilter Logistik- oder Finanzprozesse sowie künstlicher Intelligenz und Machine Learning: Quantencomputing und seine Vorteile werden die Zukunft früher oder später mitbestimmen.

Quantencomputer sind mit ihrer Leistung und parallelen Berechnungsweise in der Lage, riesige Datenmengen besonders schnell und effizient zu bearbeiten. Das Experiment von Google und seinem Quantencomputer „Sycamore“ belegte 2019 die Überlegenheit (Quantum Supremacy) gegenüber Computern: Wofür ihr Quantencomputer mit 53 Qubits nur 3 Minuten und 20 Sekunden brauchte, hätte der leistungsstärkste Supercomputer schätzungsweise 10.000 Jahre gebraucht.

Fünf Bereiche, für die Quantencomputer und ihre Vorteile besonders wichtig sein werden, sind zum Beispiel:

1. Die Optimierung von Logistik- und Transportprozessen, für die in Echtzeit die beste Option errechnet werden kann.
2. Die Entwicklung von Medikamenten und Impfstoffen, da die Rechenleistung aufwendige Laborarbeit erleichtern würde und Moleküle sehr getreu nachgebildet werden könnten.
3. Die Simulation und Entwicklung neuer Materialien, für die im Voraus spezifische Eigenschaften und verlässliche Vorhersagen berechnet werden könnten.
4. Die Wettervorhersage, die dank Einberechnung verschiedener Faktoren viel besser vorhergesagt werden könnte.
5. Die Künstliche Intelligenz und Machine Learning, für die eine Suche nach Auffälligkeiten sowie Mustern in riesigen Datenmengen (data mining) von besonderer Bedeutung wäre.

Vor allem für naturwissenschaftliche Disziplinen stellen Quantencomputer mit ihrer Leistung ein enormes Potential dar, das heutige Computer bzw. Supercomputer nicht erreichen werden.

Stellen wir Quantencomputer in Vergleich zu klassischen Computern, unterscheiden sie sich primär in der Berechnungsweise von Daten. Während ein Computer auf Bits als kleinste Recheneinheit basiert, ist dies bei Quantencomputern ein Quantenbit, auch Qubit genannt. Die Eigenschaften von Qubits ermöglichen eine wesentlich leistungsstärkere Berechnung für spezifische Fragestellungen, denn sie sind anders als Bits in der Lage, verschiedene Zustände gleichzeitig anzunehmen. Zudem lässt sich die Rechenleistung eines Quantencomputers mit jedem weiteren Qubit exponentiell steigern.

Haben Quantencomputer also den Vergleich mit Computern gewonnen? Wenn es rein um die Rechenleistung geht und man sich dabei auf Anwendungen beschränkt, bei denen viele unterschiedliche Rechenpfade eine Rolle spielen: Dann ja! Wenn es jedoch um die alltägliche Anwendbarkeit geht, haben Quantencomputer nur in der Theorie die Nase vorn. Denn bis es praxistaugliche Quantencomputer gibt, die Computer in ihren Anwendungsbereichen ersetzen werden, bedarf es großer technologischer Fortschritte. Fortschritte, die wohl zuallererst im wissenschaftlichen oder forschungsnahen Bereich die Quantencomputer konkurrenzfähig zu Supercomputern machen werden. Zudem werden in vielen Bereichen klassische Computerarchitekturen weiterhin die bessere Wahl bleiben. Quantencomputer sind in Zukunft also eher als Ergänzung zu klassischen Computern zu sehen – sie werden sie nicht ersetzen.

Die potenziellen Einsatzgebiete zukünftiger Quantencomputer entsprechen zum großen Teil denen heutiger Supercomputer: Das besonders komplexe Berechnen von Simulationen in den Bereichen der Naturwissenschaften. Ein Supercomputer folgt hierbei wie ein normaler Computer Berechnungen, die jedoch nicht von einem einzelnen, sondern einem großen, zusammenhängenden System berechnet werden. Ein solches System besteht aus hunderttausenden von Rechenkernen bzw. Computern. Diese nutzen neben den für allgemeine Rechenaufgaben vorgesehenen CPU-Bausteinen (Central Processing Unit) auch GPU-Bausteine (Graphical Processing Unit) oder andere Beschleuniger, welche den Stromverbrauch pro Recheneinheit verringern.

Die Rechenweise von Supercomputern basiert also auf extrem vielen parallelen Berechnungen mehrerer Computer. Der entscheidende Unterschied eines Quantencomputers zum Supercomputer ist, dass dieser die Berechnungen in nur einem System zur gleichen Zeit parallel durchführt.

Im Duell Quantencomputer vs Supercomputer hat nun der Quantencomputer gewonnen, oder? Wie beim Vergleich mit Computern nur theoretisch und für spezifische Bereiche. Denn es gibt noch keine konkrete Anwendung, für die ein Quantencomputer in der Praxis einen bahnbrechenden Erfolg zu verzeichnen hat, der Supercomputern den Rang abläuft. Die Aufgabe von Google, für die ein Quantencomputer nur 3 Minuten und 20 Sekunden brauchte und ein Supercomputer schätzungsweise 10.000 Jahre, ist für die Berechnungsweise des Quantencomputers objektiv betrachtet ein „Heimvorteil“ gewesen. Die Lösung war mehr eine Demonstration der Machbarkeit als eine tatsächliche Anwendung. Vielleicht vergleichbar mit dem Sputnik-Satelliten, der 1957 als erster Satellit im Weltall auch nichts anderes konnte, als per Funk kundzutun: „Ich bin da“. Solange es also keine in der Praxis anwendbaren Quantencomputer gibt, werden die Supercomputer für die Wissenschaft in allen Bereichen weiterhin von größter Bedeutung bleiben. Aber auch für ein Quantencomputing-Zeitalter ist sicherlich davon auszugehen, dass beide Computerspezies koexistieren werden.

Die Entwicklung von Quantencomputern stellt die Forschung sowie die Gesellschaft heute vor unterschiedliche Herausforderungen: Zum einen in der technischen Umsetzbarkeit bei der Entwicklung und zum anderen in den möglichen globalen Auswirkungen auf die digitale Sicherheit.

1. Technische Herausforderungen von Quantencomputern

Eine der größten Herausforderungen für Wissenschaftler liegt in den technischen Grundbedingungen, um die Rechenleistung eines Quantencomputers erst nutzbar bzw. kontrollierbar zu machen. Dies liegt an der extremen Empfindlichkeit von Qubits: Schon bei den geringsten Auswirkungen von außen können sie ihre besonderen Quanteneigenschaften verlieren. Erschütterungen, magnetische sowie elektrische Felder, Licht, Temperaturen und viele weitere äußere Einflüsse sorgen für Fehler und können den Rechenprozess zerstören. Um die Qubits möglichst stabil zu halten, müssen sie einerseits so gut wie möglich abgeschirmt werden, anderseits muss man sie auch manipulieren können, um überhaupt eine Rechnung durchführen zu können. Das gleicht der Quadratur des Kreises. Dafür werden beispielsweise supraleitende Qubits auf Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts von -273,15°C gekühlt und mehrfach von der Umgebung abgeschirmt; doch selbst dann bleibt diese Qubit-Spezies immer nur Bruchteile von Sekunden stabil – ein minimaler Zeitraum, in dem die Berechnungen stattfinden müssen.

Andere Qubit-Technologien wie Ionen sind wiederum zwar deutlich stabiler und behalten ihre Eigenschaften über Minuten oder sogar Stunden, dafür brauchen sie aber für einen einzelnen Rechenschritt deutlich länger. Hauptfokus der momentanen Entwicklung ist:

• Die Reduzierung der Fehleranfälligkeit, z. B. über einen Zusammenschluss vieler Qubits zu einem stabilen „logischen“ Qubit.
• Die deutliche Erhöhung der Anzahl an Qubits – was aber zumeist die Fehleranfälligkeit wieder erhöht.

Und natürlich gibt es für etwas, dass es noch nicht gibt, auch keine etablierte Software. Quantencomputer arbeiten dabei nach ganz anderen Gesetzen als heutige Computer, was entsprechend auch bei der Software zu vollkommen neuen Herausforderungen führt. Ein gern übergangenes Feld sind dabei die Quantenalgorithmen. Die fantastische Fähigkeit eines Quantencomputers gleichzeitig auf einer unglaublich großen Anzahl an Zuständen zu rechnen, lässt sich nämlich gar nicht so leicht in der Realität nutzen. Das Ziel einer Rechnung ist das richtige Ergebnis. Wenn dafür nun aber alle Zustände des Quantencomputers ausgelesen werden müssten, wäre nicht viel gewonnen, da es eine riesige Anzahl ist. Man benötigt also spezielle Algorithmen, die dafür sorgen, dass am Ende einer Rechnung mit größter Wahrscheinlichkeit nur der richtige Zustand übrigbleibt. Eine Aufgabe, die man bisher nur für eine überschaubare Anzahl an Problemen gelöst hat.

An diesen Herausforderungen wird klar, wie weit Quantencomputer noch vom Einsatz in unserem alltäglichen Leben entfernt sind.

2. Herausforderung der digitalen Sicherheit durch Quantencomputer

Neben den technisch anspruchsvollen Grundvoraussetzungen für die Entwicklung von Quantencomputern und deren Anwendung wird sich auch die Gesellschaft auf die Fähigkeiten dieser Technologie einstellen müssen, sobald Quantencomputer in größerem Umfang eingesetzt werden können. Denn gerade im Bereich der Verschlüsselung, und damit der digitalen Sicherheit, kann es sowohl im privaten als auch beruflichen Bereich zu besonderen Herausforderungen kommen.

„Der digitale Dietrich der Zukunft“ – so könnte eine Überschrift lauten, wenn es um Quantencomputer und ihre Fähigkeit geht, weitverbreitete Verschlüsselungssysteme zu knacken, die heute im Einsatz sind. Die Kryptoverfahren, die das Surfen im Netz heutzutage sicher machen, müssen in Zukunft verstärkt werden und der Berechnungsweise von Quantencomputern standhalten können. Und auch weil Supercomputer immer leistungsfähiger werden und die heutigen Verschlüsselungsverfahren nur sicher sind, weil es schlicht zu rechenintensiv ist, sie über mehrere Jahre zu entschlüsseln.

Quantencomputer können ältere Systeme in Zukunft knacken. Jedoch nur, wenn die älteren Systeme auch alt bleiben und nicht durch neue Verschlüsselungsmethoden ersetzt werden. Hieran arbeitet die Post-Quantum-Kryptografie, die quantensichere Verschlüsselungsmethoden erforscht. Als Pionier treibt Infineon diese Forschung aktiv voran – mehr dazu erfahren Sie im Beitrag zur Post-Quantum-Kryptografie.

Wie groß das Interesse sein kann, zeigten Enthüllungen von Edward Snowden aus dem Jahr 2014: Die National Security Agency (NSA) forschte bereits intensiv am Einsatz von Quantencomputern in der Kryptografie. Die Post-Quantum-Kryptografie weist für diese Herausforderungen bereits erste Lösungsansätze und Erfolge auf. Wie auch beim herkömmlichen Computer liegt es an uns Menschen, welches Potential Quantencomputer zukünftig entwickeln werden und wofür dieses verwendet werden wird.

Können wir uns schon bald einen Quantencomputer kaufen? Werden Smartphones noch viel smarter? Der Status Quo von Quantencomputern verspricht bahnbrechende Entwicklungen, die jedoch vor allem den wissenschaftlich komplexen Bereichen vorbehalten sein werden. Das liegt vor allem am technischen Aufwand, der für Betrieb und fehlerfreie Funktion eines Quantencomputers nötig ist. Und an den spezifischen Anwendungsbereichen, in denen nach heutigem Wissensstand ein Quantencomputer sein großes Potential erst vollständig ausreizen kann. Das alles macht Quantencomputer für Privatanwender noch zu einer vagen Zukunftsvision.

Vom Finanzsektor, über Logistik- und Transportprozesse bis hin zu Materialentwicklung und komplexen Simulationen haben Quantencomputer das Potential für revolutionäre Entwicklungen. Um eine erfolgreiche Kommerzialisierung dieser Technologie ist weltweit ein Wettlauf im Gange, bei dem Infineon seit den Anfängen mit einem Beitrag zur Entwicklung eine unterstützende Rolle einnimmt.

Ein bedeutender Schwerpunkt liegt dabei auf der Skalierbarkeit der Quantencomputer-Technologie, die unsere digitale Zukunft mitbestimmen wird. Mit Know-how und Kompetenzen in relevanten Bereichen vom Chip-Design bis zum Material, der Produktion und Software wird Infineon die Weiterentwicklung in puncto Quantencomputing voranbringen. Um Quantencomputer aus der Entwicklung und von den theoretischen Grundlagen in wirtschaftlich relevante Anwendungsbereiche zu führen, engagiert sich Infineon darüber hinaus als Gründungsmitglied von QUTAC – dem Konsortium führender deutscher Unternehmen, um Quantencomputing auf die Ebene großflächiger industrieller Anwendung zu heben und die Entstehung eines wirtschaftlich erfolgreichen und souveränen Quantencomputing-Ökosystems zu fördern.

Einen ausführlichen Einblick in die technologische Förderung durch Infineon erhalten Sie in diesem Beitrag: Quantum computing – Game-Changer für Morgen.

Letzte Aktualisierung: November 2021