Quantencomputing: Was bringt uns diese Technologie?

Die Entstehung des Lebens simulieren

Noch steckt der Quantencomputer in den Kinderschuhen. Dabei ist die Idee nicht neu: Schon in den 1980er-Jahren dachten Physiker darüber nach, ob man die eigentümlichen Gesetze der Quantenwelt für neuartige, extrem leistungsfähige Computer nutzen könnte. 

Manche erhofften sich sogar, mit Quantencomputern sämtliche Prozesse der Natur simulieren zu können, also auch die Entstehung des Universums und des Lebens. Aber davon sind wir aber heute noch meilenweit entfernt.

Was sind eigentlich Quanten?

​​​​​​​Als Quant wird in der Physik der kleinstmögliche Wert einer physikalischen Größe beschrieben. Er ist also eine Art „Stückelung“, wie die Pixel eines digitalen Fotos. Ein Quant ist nicht teilbar und kann nur als Ganzes erzeugt oder vernichtet werden. 

Am einfachsten können wir uns das Quant einer elektromagnetischen Welle vorstellen, also von sichtbarem Licht. Das Quant in einem Quantencomputer kann ein geladenes Atom (= Ion) oder eine bestimmte Menge von Elektronen in einem Kreisstrom sein. 

Einstein: Zweifel an der Quantenwelt

Dieses Quantenbit (Qubit) ist die Recheneinheit in Quantencomputern. Die Bits in herkömmlichen Computern können nur die Zahl 0 oder 1 darstellen, Qubits hingegen können theoretisch beide Zustände gleichzeitig und beliebig viele dazwischen einnehmen, sich überlagern und miteinander verschränken. Folglich braucht ein Quantencomputer für Rechenoperationen weniger Qubits und ist dadurch prinzipiell viel effizienter.

Diese Annahmen widersprechen bekannten physikalischen Gesetzen. Auch Einstein konnte sich nicht mit der Quantenwelt anfreunden und sie ist bis heute nicht restlos verstanden. Quanten werden aber bereits in der Praxis genutzt, zum Beispiel in Solarzellen, Glasfasernetzen oder Lasern. 

Unvergleichlich hohe Rechenleistung

Die Digitalisierung und Big Data-Anwendungen bringen klassische Computer bereits jetzt an ihre Grenzen. Forscher sehen die Quantenmechanik als Hoffnungsträger und setzen alles daran, um mithilfe der seltsamen Eigenschaften der Qubits eine unvergleichlich hohe Rechenleistung zu erzielen. 

In bisherigen Experimenten lieferten Quantencomputer allerdings noch keine 100 % zuverlässigen Ergebnisse. Das liegt laut Fachleuten daran, dass Qubits sehr empfindlich auf Umgebungseinflüsse reagieren, was eine höhere Fehlerquote bedingt. Um das zu verhindern, müsse das Innere eines Quantencomputers auf minus 273 Grad Celsius, also fast bis zum absoluten Nullpunkt, heruntergekühlt werden.

1 Milliarde Euro für die Forschung

Wenn es gelingt, alle Hürden zu nehmen, ist aber vieles denkbar. Die ersten lukrativen Anwendungsfälle werden in Pharmazie, Chemie, Automobilindustrie und Finanzwesen erwartet. Da ein Quantencomputer parallele Berechnungen durchführen kann, erhofft man sich große Vorteile bei der Optimierung von Lieferketten oder Energieversorgungsnetzen. Ein Automobilkonzern forscht an einem Quantencomputer, der durch Analyse der Verkehrsströme in Echtzeit die besten Routen in verstopften Großstädten berechnen soll.

Die EU will in den nächsten Jahren 1 Milliarde Euro in die Entwicklung von Quantentechnologie investieren. Im April 2023 startete an der Uni Innsbruck ein Forschungsprojekt mit dem Ziel, ein Hybrid-System aus Quantencomputern und klassischen Hochleistungscomputern aufzubauen. Wann die Menschheit einen fehlerfrei arbeitenden Quantencomputer erleben wird, dazu gehen die Meinungen von Experten weit auseinander – die einen erwarten diesen Meilenstein innerhalb der nächsten 5 bis 15 Jahre, die anderen nie.

Im Alltag werden uns Quantencomputer jedenfalls kaum begegnen – sie werden wohl vor allem hochkomplexe Simulationsaufgaben lösen.