Capital erklärtQuantencomputer und ihr wirtschaftliches Potenzial

Rack-mounted ion-trap quantum processor
Die österreichische Firma AQT gehrt zu den Unternehmen in Europa, die führend bei der Entwicklung von Quantencomputern sindDieter Kühl


In unserer Reihe Capital erklärt geben wir einen komprimierten Überblick zu aktuellen Wirtschaftsthemen. Diesmal: Quantencomputer und ihre wirtschaftliche Bedeutung – mit Redakteur Niklas Wirminghaus, der bei Capital unter anderem über Digitales schreibt.


Was unterscheidet einen Quantencomputer von einem normalen Computer?

Während ein klassischer Computer auf Bits basiert, also Recheneinheiten, die die Werte 0 oder 1 annehmen können, gibt es im Quantencomputer sogenannten Qubits, die den speziellen Gesetzen der Quantenphysik folgen. Sie können zum Beispiel gleichzeitig zwei Werte annehmen, damit verdoppelt sich die Zahl der Werte mit jedem weiteren Qubit. Das exponentielle Wachstum eröffnet einen riesigen Rechenraum. Bestimmte Operationen können damit viel schneller durchgeführt werden als in einem traditionellen Supercomputer, andere Rechenaufgaben überhaupt erst gelöst werden, die für herkömmliche Maschinen bislang unlösbar waren.

Wird jeder von uns also in einigen Jahren einen Quantencomputer zu Hause stehen haben?

Nein. Ihr Einsatz ist im wissenschaftlichen und industriellen Umfeld interessant – sie werden vermutlich Rechenzentren ergänzen. Und sie werden deren Supercomputer auch nicht ersetzen: Für viele Aufgaben sind traditionelle Maschinen viel besser geeignet. Den Quantencomputer zum Laufen zu bringen, ist bislang ein kompliziertes und aufwändiges Unterfangen: Damit der Prozessor „ungestört“ arbeiten kann, muss er fast bis auf den Nullpunkt heruntergekühlt werden, das gelingt nur für einen Bruchteil einer Sekunde. Und die Ergebnisse, die der Quantencomputer produziert, sind sehr fehleranfällig: Es braucht bislang eine hohe Zahl an Qubits, allein um die Fehler zu korrigieren.

Im Herbst vergangenen Jahres hat Google bewiesen, dass ein Quantencomputer ein bestimmtes Rechenbeispiel schneller lösen kann als der aktuell schnellste Computer. Was bedeutet dieser Durchbruch?

Google sagt, es habe damit die sogenannte „Quantum Supremacy“ erreicht, also die Überlegenheit einer Quantenmaschine über herkömmliche Computer belegt. Trotzdem war das ganze nicht unumstritten. Google behauptet, der heute schnellste Supercomputer hätte für die Kalkulation 10.000 Jahre gebraucht – IBM hat vorgerechnet, dass das mit ihrer besten Maschine in zweieinhalb Tage zu schaffen gewesen wäre. Das wäre aber immer noch länger als die drei Minuten und 20 Sekunden, die Googles Quantencomputer als Rechenzeit angibt. Einen konkreten Nutzen hat Googles Experiment im Übrigen nicht gebracht, weil die Aufgabe nur theoretisch war. Aber man kann den Moment durchaus mit dem Launch des ersten Satelliten „Sputnik“ vergleichen – der flog auch nur um die Erde und piepste ein wenig. Aber er löste einen Raumfahrt-Boom aus. Und was im Moment im Quantencomputerbereich los ist, fühlt sich auf jeden Fall nach Aufbruchstimmung an.

Was ist seitdem passiert?

Weitere wissenschaftliche Durchbrüche vom gleichen Kaliber gab es nicht, aber die Politik ist aufmerksam geworden: Deutschland hat etwa in seinem Konjunkturpaket die auch im weltweiten Vergleich beeindruckende Summe von 2 Mrd. Euro für die Entwicklung von Quantencomputern reserviert.

Was ist der nächste Schritt bei der Entwicklung von Quantencomputern?

Eine der größten Herausforderungen ist es nun, die angesprochene Fehlerrate herabzusetzen. Dann lohnt es sich, auf deutlich höhere Qubit-Zahlen zu gehen. Und dann werden die Maschinen ihr wahres Potenzial zeigen können. Aber es gibt unzählige weitere Baustellen: Software und Hardware müssen sich zum Beispiel besser verstehen. Und es gibt einen Wettstreit unter unterschiedlichen Quantencomputer-Technologien, der längst noch nicht endgültig entschieden ist: Zwar haben derzeit die oben erwähnten Supraleiter, die auf Tiefsttemperaturen heruntergekühlt werden müssen, die Nase vorn; aber sogenannte Ionenfallen, die bei Raumtemperatur arbeiten, haben auch ihre Vorteile.

Ist Google tatsächlich Vorreiter? Welche anderen Unternehmen machen Fortschritte?

Google und IBM gelten als Vorreiter unter den großen Technologieunternehmen. Ebenfalls stark, aber viel weniger bekannt ist der US-Konzern Honeywell. Daneben versuchen sich Start-ups zu etablieren, zum Beispiel das Silicon-Valley-Unternehmen Rigetti oder in Europa IQM aus Finnland und AQT aus Österreich. Sie setzen darauf, dass bei dieser neuen Technologie die Karten neu gemischt werden und jeder erst einmal die gleichen Chancen hat (wenn er genug Geld zusammenkratzen kann). Interessant ist, dass ein wichtiger Teil der Forschung in Europa stattfindet, das sieht man auch daran, dass US-Konzerne wie Microsoft, IBM, Amazon oder Intel allesamt Partnerschaften mit europäischen Universitäten eingegangen sind. Die große Herausforderung wird also (wieder mal) sein, den wissenschaftlichen Vorsprung ins unternehmerische Feld mitzunehmen. Vielleicht gelingt es ja dieses Mal.

Wie können Quantencomputer in der Praxis angewandt werden?

Quantencomputer spielen nach heutigem Kenntnisstand bei drei Arten von mathematischen Problemen ihre Stärken aus: Da ist zum einen die sogenannte Faktorisierung, dabei geht es um die Zerlegung großer Zahlen in Primzahlen. Weil das für konventionelle Computer wahnsinnig schwierig ist, basieren darauf unsere heutigen Verschlüsselungssysteme. Das zweite Feld ist die Suche in unstrukturierten Datenbanken. Und die dritte Aufgabe ist die Modellierung von natürlichen Quantensystemen, also von Molekülen oder Atomen. Es gibt eine ganze Reihe von Branchen, wo diese Probleme in der Praxis eine hohe Relevanz haben. Dazu gehört etwa naheliegenderweise die Materialforschung oder Medikamentenentwicklung, wo man das Zusammenspiel von Molekülen simulieren möchte. Oder die Finanzbranche, wo Portfolios oder Märkte analysiert werden sollen. Es kann auch um die Optimierung von Logistik gehen, von Verkehrssystemen und Lieferrouten.

Könnten Quantencomputer unsere Sicherheit im Netz in Zukunft gefährden?

Die Theorie gibt es – eben dann, wenn der Schutz durch Faktorisierungsverfahren unbrauchbar wird, weil Quantencomputer verfügbar sind, die stark genug sind, um ihn zu knacken. Wir sollten daher zwei Sachen tun: Erstens gleichzeitig mithilfe von Quantentechnologien an noch besseren Verschlüsselungen arbeiten – am besten jetzt, bevor es zu spät ist. Und zweitens sollten wir dafür sorgen, dass das Know-how, die Quantenexpertise breit verfügbar ist – damit nicht etwa ein Staat, ein Geheimdienst oder eine Hacker-Armee die Technologie missbrauchen kann.

 


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