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Quantencomputer:Der große Traum vom Superhirn

Schon jetzt eine Attraktion: Anfang Januar zeigte IBM den Quantencomputer "Q System One" auf der Technikmesse CES in Las Vegas.

(Foto: Ross D. Franklin/AP)

Der Quantencomputer gilt als Wundermaschine der Zukunft. Er soll komplexe Probleme bewältigen, die bisher nicht lösbar sind. Aber kann die Technik die hohen Erwartungen überhaupt erfüllen?

Federico Carminati gehört zu jener eher seltenen Sorte Wissenschaftler, die ihre komplizierte Welt in einfache Worte fassen können. Carminati ist Physiker, und er sagt: "Von 96 Prozent des Universums wissen wir nicht, was es ist." Das reizt Forscher wie ihn, und darum ist in der Nähe von Genf die größte Maschine entstanden, die Menschen jemals gebaut haben: der Teilchenbeschleuniger am Kernforschungszentrum Cern. Carminatis Job dabei: Er sucht mit seinem Team nach neuen Möglichkeiten, die ungeheure Menge an Daten auszuwerten, die die Maschine ausspuckt.

Denn Carminati hat ein Problem: "Um all diese Daten zu berechnen, müsste die Rechenleistung bis zum Jahr 2030 um das Hundertfache steigen", sagt der Wissenschaftler, "wir laufen auf eine Wand zu." Diese imaginäre Wand, sie wächst empor, weil das Ende einer Entwicklung in Sicht kommt: Die Welt muss sich von der lieb gewonnenen Regel verabschieden, dass Computerchips immer leistungsfähiger werden. Jahrzehntelang hat sich Moores Gesetz, das eigentlich kein Gesetz ist, sondern vielmehr eine recht gewagte Vorhersage, als korrekt erwiesen. Alle eineinhalb bis zwei Jahre verdoppelte sich seit den 1960er-Jahren die Zahl der Transistoren auf den Siliziumchips und damit die Rechenleistung. Doch inzwischen sind daraus eher drei Jahre geworden, und - schlimmer noch - die Grenzen der Physik machen sich bemerkbar.

"Ausgerechnet jetzt, wo wir Maschinen hätten, um die Forschung zu künstlicher Intelligenz voranzutreiben, geht deren Entwicklung nicht mehr weiter", klagt auch Alessandro Curioni. Er leitet das Forschungszentrum des IT-Konzerns IBM in Rüschlikon bei Zürich. Die beiden Wissenschaftler Curioni und Carminati - und mit ihnen alle, die auf mehr Rechenleistung angewiesen sind - hoffen inzwischen, dass eine andere Technologie erfolgreich sein wird: Quantencomputer. Diese Maschinen, die auf ganz andere Weise rechnen als herkömmliche Computer, könnten komplexe Aufgaben in null Komma nichts lösen, bei denen sogar die gewaltigen Rechenanlagen kapitulieren, die man Supercomputer nennt.

Quantencomputer Eiskalt durchgerechnet
Quantencomputer

Eiskalt durchgerechnet

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Auch bei IBM in Rüschlikon wird am Quantencomputer geforscht. Der Weg ins dortige Quantenlabor führt durch die fensterlosen Gänge eines nüchternen Zweckbaus mit dem Charme der 1960er-Jahre. Die Wände sind mit Platten in einem blassen Violett-Ton verkleidet. Hinein kommt man nur mit Chipkarten, an den Türen zu manchen der Labors warnen grellgelbe Schilder: "Achtung, Laser!" Andere Forscher wiederum haben so empfindliche Geräte, dass sie Besucher vorsorglich bitten, nicht ohne Voranmeldung hereinzuplatzen. Auch die Quantenchips sind empfindlich. Schon ein einziges Atom, das störend dazwischengerät, kann sie aus dem Takt bringen. Und sie funktionieren überhaupt nur, wenn sie auf eine Temperatur ganz nahe am absoluten Nullpunkt heruntergekühlt werden, kälter als im Weltraum.

Den eigentlichen Chip kann man deshalb während des Betriebes nicht sehen. Er steckt in einer aus mehreren metallenen Schalen aufgebauten Hülle. Diese Hülle ähnelt einer Tonne, der Fachbegriff dafür lautet Kryostat. Zur Kühlung wird flüssiges Helium in die Tonne gepumpt. Die Pumpe summt und gibt zwischendurch ein Piepen von sich, das an die Intensivstation in einem Krankenhaus erinnert.

Drei Tage dauert es, bis das System überhaupt so weit heruntergekühlt ist, dass es die Arbeit aufnehmen kann. Warum aber die Kälte? Nur so werden die Materialien - Aluminium und Niobium -, die in einer nur 100 Nanometer dünnen Schicht auf Silizium aufgebracht werden, zu Supraleitern, verlieren also ihren elektrischen Widerstand. Qubit nennen die Forscher das, womit sie da rechnen. "Ein Qubit verhält sich wie ein künstliches Atom", sagt Heike Riel. Die hochdekorierte deutsche Physikerin leitet die Abteilung Wissenschaft und Technik im Zürcher IBM-Forschungszentrum.

Diese künstlichen Atome werden anschließend, gesteuert durch herkömmliche Computer, mit Mikrowellenstrahlung angeregt - und dann geschieht Erstaunliches. Dann tritt das auf, was jeglicher normalen Erfahrung widerspricht: Subatomare Teilchen können an zwei Positionen gleichzeitig sein. Anders als Transistoren und ihre Bits, mit denen Computer heute rechnen, haben Qubits also nicht entweder den Wert 0 oder den Wert 1, sondern können für eine gewisse Zeit auch beides zugleich sein. Der Physiker Erwin Schrödinger hat das mit seinem berühmten Beispiel von der Katze in einer Kiste anschaulich erklärt: Eine Katze kommt in eine verschlossene Kiste, in die zu einem unbekannten Zeitpunkt tödliches Gas strömt. Solange man die Kiste nicht öffne, so Schrödinger, wisse man nicht, ob die Katze tot sei oder ob sie noch lebe.

Auch die Fehlerrate ist enorm

Das Besondere an der Quantentechnologie: Jedes zusätzliche Qubit verdoppelt - zumindest theoretisch - die Rechenleistung, weil es die Zahl der möglichen Kombinationen verdoppelt. Um dagegen bei einem herkömmlichen Chip die Rechenleistung zu verdoppeln, braucht es auch doppelt so viele Bits. Anders beim Quantencomputer: "Mit 275 Qubits gibt es mehr Grundzustände als Atome im Universum", sagt Riel.

In Innsbruck arbeitet der Physiker Rainer Blatt mit einer anderen Technologie. Sein Team manipuliert Ionen mit Laserstrahlen. Vorteil dieser Methode: Blatt kann die Teilchen etwas länger dazu bringen, zusammenzuarbeiten. Deshalb kann seine Maschine mit lediglich 20 Qubits auch komplexere Berechnungen und mehrere hintereinander ausführen. Noch allerdings steht die Forschung zu dieser neuen Technologie ziemlich am Anfang. Heutige Computerchips haben Milliarden Transistoren, die Quantencomputer dagegen arbeiten mit gerade einmal 80 Qubits oder weniger, und so richtig ist noch nicht klar, wie man ihre Zahl substanziell erhöhen kann. Denn je mehr Qubits ein System hat, umso schwerer ist es, sie zu kontrollieren, sie also zusammenzuschalten. Die Fehlerrate steigt enorm an, für einen Quantenrechner mit einigen Tausend Qubits wären dann Hunderttausende Qubits bloß dafür nötig, die Fehler zu korrigieren.

Es gibt aber auch ganz praktische Probleme. Etwa mit den Kabeln, die die Rechenergebnisse aus der Kältetonne nach draußen übermitteln. Je mehr Qubits, desto mehr Kabel sind nötig - das führt irgendwann zu einem Platzproblem. Auch daran arbeiten die Wissenschaftler bei IBM in Rüschlikon. Mehrere Qubits, so ein Forschungsansatz, könnten sich ein Kabel teilen, so wie man das auch bei Glasfaserkabeln macht.

Eine ganze Menge technischer Probleme sind das. Könnte es den Quantencomputern am Ende gar ergehen wie einst der künstlichen Intelligenz? Mehrmals in den vergangenen Jahrzehnten wähnten sich Forscher schon kurz vor dem Ziel, doch dann stockte die Entwicklung, kam sogar fast zum Stillstand. KI-Winter heißen diese Perioden, in denen es nur noch wenig Forschungsgeld für die Technologie gab. Vor allem deshalb, weil zuvor so hohe Erwartungen aufgebaut worden waren, entstand der Eindruck, als gäbe es kaum Fortschritte.

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