Quantencomputer arbeiten nach völlig anderen Prinzipien als traditionelle Rechner. Daher können sie bestimmte Aufgaben in Sekunden bewältigen, für die herkömmliche Superrechner Jahrhunderte benötigen. Die Bundesregierung will die Entwicklung dieser Technologie mithilfe eines 640 Millionen Euro schweren Förderprogramms vorantreiben. Nachfolgend einige Fragen und Antworten zu dem Thema:

Was unterscheidet Quantencomputer von anderen Rechnern?

Quantencomputer nutzen für ihre Berechnungen die physikalischen Gesetze der sogenannten Quantenwelt, die für subatomare Teilchen wie Elektronen oder Photonen gelten. Diese stehen teilweise im Widerspruch zu ⁠den physikalischen Gesetzen, die wir aus dem Alltag kennen.

Herkömmliche Rechner arbeiten mit Bits. Diese haben zwei Zustände: Null oder Eins. Bei Quantenrechnern heisst die kleinste Recheneinheit Quantenbit oder Qubit, welches nicht nur die Zustände Null ‌oder Eins, sondern theoretisch unendlich viele Zwischenzustände annehmen kann. Dadurch können mehrere Schritte gleichzeitig abgearbeitet werden.

Die Rechengeschwindigkeit steigt exponentiell, ‌wenn mehrere Qubits miteinander verbunden - im Fachjargon quantenverschränkt - werden. Denn jede Veränderung eines Qubits ​wirkt sich unmittelbar auf die anderen aus.

Wo liegen die technischen Probleme?

Qubits reagieren sehr empfindlich auf äussere Einflüsse. Je länger eine Berechnung dauert, desto stärker macht sich dieser Effekt bemerkbar. Daher müssen Quantencomputer einen erheblichen Teil ihrer Rechenpower für die Fehlerkorrektur aufwenden. Für jedes Qubit, das die eigentliche Rechenarbeit erledigt, sind je nach technologischem Konzept Hunderte weitere Qubits notwendig, die sich um die Fehlerkorrektur kümmern. Gemeinsam werden diese physischen Qubits zu einer Recheneinheit, einem sogenannten logischen Qubit.

Eine weitere Hürde bei der Entwicklung von Quantencomputern ist die Skalierung. ‌Je mehr Qubits in einem Rechner arbeiten, desto grösser wird üblicherweise der Aufwand für die Fehlerkorrektur. Ausserdem ist die Manipulation mehrerer Atome technisch komplex. Einige Forscher nutzen eine massgeschneiderte KI, um die Fehlerkorrektur zu verbessern. Andere setzen auf speziell bearbeitete Materialien für die Rechenchips oder neue Prozessor-Architekturen.

Wie erhält man ein Qubit?

Es gibt verschiedene technologische Ansätze: IBM und Google setzen auf ​supraleitende Qubits. Dabei werden spezielle Computerchips bis knapp über den absoluten Nullpunkt von minus 273,15 Grad Celsius heruntergekühlt. Dadurch kann Strom ​ohne elektrischen Widerstand fliessen. Dies ist technisch aufwendig. Ausserdem wird bei diesen Systemen viel Rechenpower für die Fehlerkorrektur ​benötigt.

Andere Unternehmen nutzen elektrisch geladene Atome, die in einer aus elektromagnetischen Feldern bestehenden «Ionenfalle» gehalten werden. Sie werden dann mit Lasern oder Mikrowellen beschossen, um die Qubits in einen bestimmten Zustand zu bringen beziehungsweise Informationen auszulesen. ‌Der Aufwand für die Fehlerkorrektur ist im Vergleich zu anderen Konzepten zwar gering. Es ist jedoch schwierig, die Zahl der Qubits zu erhöhen und gleichzeitig die Fehleranfälligkeit unter Kontrolle zu halten.

Das deutsche Startup PlanQC setzt auf neutrale Atome, die mit optischen Pinzetten gehalten und manipuliert werden. Diese Technologie ist bislang recht experimentell. Der Konkurrent SaxonQ hat einen mobilen Rechner ​entwickelt, bei dem ​Qubits ähnlich wie in einer Ionenfalle in einem Diamantkristall eingebettet sind.

Microsoft arbeitet an «topologischen» Qubits ⁠auf Basis sogenannter Majorana-Teilchen. Sie gelten als vergleichsweise unempfindlich gegenüber äusseren Störeinflüssen. Andere Forscher wollen Lichtteilchen (Photonen) als Qubits nutzen. Noch ​hat sich keiner der Ansätze als ⁠technisch überlegen herauskristallisiert. Jedes Verfahren hat Vor- und Nachteile.

Sind Quantencomputer generell überlegen?

Quantencomputer sind konventionellen Rechnern nicht in allen Anwendungsfällen überlegen. Sie glänzen unter anderem bei der Ver- und ‌Entschlüsselung von Daten. Grosses Potenzial sehen Experten auch in der Finanzbranche, wo Quantencomputer bei der Aufdeckung von Betrug helfen können, indem sie ungewöhnliche Aktivitäten identifizieren.

Aber auch in anderen Bereichen, wie der Berechnung optimaler Routen für Speditionen, bieten sie Vorteile. Forscher arbeiten zudem an Quantenrechnern für das Training Künstlicher ‌Intelligenz (KI).

Wird die Quantenphysik technisch bereits genutzt?

Es gibt bereits zahlreiche Anwendungen, die auf den Gesetzen der Quantenphysik basieren. Hierzu gehören beispielsweise ​Laser, die an Scanner-Kassen eingesetzt werden. Auch bei Smartphone-Bildschirmen oder Navigationssystemen spielt diese Technologie eine wichtige Rolle.

Quantencomputer sind bislang kaum über das Experimentierstadium hinausgekommen, da sie noch fehleranfällig sind. Daher setzen einige Firmen wie das deutsche Startup Terra Quantum auf sogenanntes hybrides Quantencomputing. Dabei läuft die speziell für Quantencomputer entwickelte Software auf klassischen Hochleistungsrechnern. Dies bringt den Angaben zufolge bereits einen Geschwindigkeitsvorteil. Ihr volles Potenzial könnten ‌diese Programme aber erst auf Quantencomputern ausschöpfen.

(Reuters)