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Quantencomputer:Zukunftsmaschine

Er könnte der Beginn sein für eine ganz neue Technologie, die die Welt verändert: Googles Quantencomputer. Ein Besuch im Labor in Santa Barbara.

Komplexes Gebilde: Googles Quantencomputer im Labor in Santa Barbara.

(Foto: Hannah Benet/Google)

Hartmut Neven ist Physiker. Er ginge aber auch als Bassist von Rammstein oder Kosmonaut aus den 1960er-Jahren durch. Die graue Steampunk-Hose, die silberne Plusterjacke, die Future-High-Sneakerstiefel und die schwarz-silberne Sonnenbrille passen zu dem, was der Deutsche verkündet. Neven, der bei Google das Quantum Artificial Intelligence Lab leitet, spricht an diesem Mittwochmorgen sehr oft über Musik und das Weltall. Ohne anschauliche Beispiele würde nämlich kaum jemand kapieren, warum hier alle so aufgeregt sind.

In der Nacht zuvor veröffentlichte das Wissenschaftsmagazin Nature einen Artikel, der bereits im September große Aufregung verursacht hatte. Die US-Raumfahrtbehörde Nasa hatte ihn versehentlich für kurze Zeit auf ihre Webseite gestellt. Googles Quantenchip Sycamore, schreiben die Wissenschaftler des Konzerns in ihrem Fachaufsatz, "konnte in 200 Sekunden eine Berechnung durchführen, für die der schnellste Supercomputer der Welt 10 000 Jahre gebraucht hätte". Der Test bestand, sehr vereinfacht ausgedrückt, aus einer Berechnung für komplexe Zufallszahlen.

Nun wird debattiert, ob Googles Forscher mit dem Experiment tatsächlich die sogenannte Quantenüberlegenheit bewiesen haben. Sie würde bedeuten, dass ein Quantencomputer Dinge vollbringen kann, die auch die schnellsten Superrechner, die auf Basis klassischer Chips arbeiten, nicht schaffen. Man fragt sich, ob das der Beginn eines neuen Computerzeitalters ist. Ob der technologische Sprung Revolutionen ganzer Wissenschaftsgebiete wie Pharmazie, Chemie oder Logistik einleitet. Und: Was der Test überhaupt sollte.

Denn Sycamores hochkomplizierte Berechnung hat keinen praktischen Nutzen. Dennoch sagt Neven über das Experiment: "Der erste Sputnik hat auch nichts anderes getan, als die Erde zu umrunden, und doch war es der Beginn des Weltraumzeitalters." Er beschreibt mit dem Sputnik-Vergleich auch ein Problem bei der Vermarktung der Forschung: Beim Satelliten wussten die Leute, dass der Mensch nun in der Lage war, Dinge ins Weltall zu schicken. Der erste Flug der Gebrüder Wright im Jahr 1903 zeigte, dass es möglich sein dürfte, ein Flugzeug für den Personentransport zu bauen. Es war sichtbar, greifbar, verständlich, und es befeuerte die Vorstellungskraft, positiv wie negativ.

Die Anlage sieht aus, als hätte man einen Riesenkochtopf hundertfach verkabelt

Was wissen die Menschen, wenn sie Googles Experiment betrachten, worauf dürfen sie hoffen, was müssen sie fürchten? Vielleicht hilft ein Besuch im Labor.

Santa Barbara ist eine verschlafene Küstenstadt in Kalifornien, etwa zweieinhalb Autostunden nordwestlich von Los Angeles. Es gibt kaum einen unscheinbareren Ort für ein Projekt, das die Menschheit entscheidend voranbringen soll, als dieses Gebäude mit der Adresse 6868 Cortona Drive. Außen sind beigefarbene Kacheln angebracht, es sieht aus, als würden drinnen Pakete verpackt oder Tiere geschlachtet. Es macht keinen futuristischen Eindruck wie zum Beispiel das Quantum Computing Laboratory des chinesischen Konzerns Alibaba in Shanghai. Das hier wirkt eher wie bei einem Start-up. Das Labor selbst ist keine 300 Quadratmeter groß, es gibt keine Fenster, nur weiße Wände. Das Sycamore-Projekt selbst sieht aus, als hätte jemand einen überdimensionalen Kochtopf hundertfach verkabelt.

Der Zauber entfaltet sich, wenn die Google-Mitarbeiter an einer der Anlagen in der Ecke den etwa 1,20 Meter hohen Silberzylinder mit einem Durchmesser von 50 Zentimetern entfernen und sozusagen Skelett und Herz präsentieren: ein mehrstufiges, vergoldetes Gebilde, das an das Innere einer Schweizer Uhr erinnert. Oben herrscht laut Neven Zimmertemperatur, unten "ist es kälter als im Weltall". Dort ist der Chip angebracht, geschützt vor äußeren Einflüssen wie Erschütterungen, Geräuschen und magnetischer Strahlung. Er ist ein bisschen größer als der Fingernagel eines Daumens. Die Gastgeber lassen den Besucher den Chip selbst unter dem Mikroskop betrachten und fotografieren, und erklären geduldig, wie er funktioniert.

Dass ein Technikkonzern derart offen mit seiner Forschung umgeht, ist wohl der Tatsache geschuldet, dass Google diesen angeblich historischen Moment für sich reklamieren will.

Quantenmechanik gehört zu den Aspekten der Physik, die für Laien verrückt wirken. Sogar Albert Einstein hielt sie für "spukhaft". Sie sei nur zu verstehen, wenn man daran glaube, dass Gott höchstselbst "würfelt oder sich telepathischer Mittel bedient". Das bekannteste Erklärungsversuch ist das Gedankenexperiment des Physikers Erwin Schrödinger: Eine Katze wird dabei in einen Kasten eingesperrt, in dem zu einem zufälligen Zeitpunkt tödliches Gas freigesetzt wird. Lebt die Katze oder ist sie tot? Solange die Box geschlossen bleibt, weiß man es nicht.

Genauso ist es in der Quantenphysik. Objekte können in mehreren Zuständen gleichzeitig existieren, sogenannte Qubits müssen sich im Gegensatz zur klassischen Physik (deren binäre Bits nur die Werte 0 oder 1 haben können), nicht für eins von beiden entscheiden. Sie schweben in einer Überlagerung beider Zustände, der sogenannten Superposition. Diese Eigenschaft ist labil und extrem schwer zu kontrollieren. Deshalb hat Google um den Chip herum ein Gebilde gebaut, das wirkt wie eine russische Puppe. Im Chip nutzen 53 Qubits (es waren eigentlich 54, eines ging kaputt) die Gleichzeitigkeit der Zustände aus. Das ermöglicht es, mehr als neun Billiarden Zustände auf einmal darzustellen. Die Rechenleistung steigt doppelt exponentiell, weil sich Qubits auch untereinander verschränken können. Innerhalb weniger Sekunden können Millionen komplexe Berechnungen durchgeführt werden.

Die Träume, die die Quantentechnik auslöst, sind groß. "Ich will nicht zu optimistisch sein, aber wir blicken seit Beginn des Projekts in Richtung Horizont und überlegen, wie ein System mit einer Million Qubits aussehen könnte", sagt Neven, der deutsche Skepsis mit kalifornischer Begeisterung kombiniert: "Was wir nun herausgefunden haben: Wir können das irgendwann schaffen." Wichtig sind dabei die Worte "können" und "irgendwann".

Neven, 54, galt schon als Student an der Uni Bochum als Ausnahmephysiker. Er hatte einen Algorithmus entwickelt, der anhand der Bewegungen auf der Tanzfläche die Musik in der Diskothek automatisch steuerte. Sein damaliger Professor Christoph von der Malsburg übertrug ihm die Leitung seines Labors an der University of Southern California, doch Neven wollte keine Anträge für Fördergelder ausfüllen. Er wollte forschen. Sein Start-up Neven Vision brachte Computern bei, Objekte zu erkennen. 2006 verkaufte er es an Google. Dort entwickelte er die smarte Brille Google Glass, danach wechselte er in die Abteilung für Quantencomputer.

"Jeder, ob nun Wissenschaftler oder Künstler, will den Leuten zeigen, wenn er was erreicht hat", sagt er über die Veröffentlichung der Ergebnisse. Es hat bereits Kritik am Experiment gegeben. Konkurrent IBM behauptet zum Beispiel, die Behauptungen seien nur "Hype". Google habe beim Test die Fähigkeiten von Supercomputern nicht voll ausgeschöpft, sie also im Vergleich zum Quantenrechner als schwächer erscheinen lassen, als sie tatsächlich sind. Neven will deshalb sämtliche Daten und den Programmcode veröffentlichen. Er sagt, ihm gehe es nicht nur darum, dass sich die Konkurrenz selbst überzeugen kann: "Lieber arbeiten wir zusammen und schaffen das, als wenn jeder für sich werkelt und es uns nicht gelingt." Dennoch ist ihm anzumerken, dass er stolz ist, dass sein Team die Quantenüberlegenheit zuerst verkünden konnte.

Jeder beteiligte Forscher sagt: Die Arbeit hat erst begonnen

Das führt zurück zur Frage: Gibt es irgendwo, irgendwann eine Ziellinie, und was passiert, wenn sie erreicht wird? Der Sputnik war ein Meilenstein. Das wirklich monumentale Ereignis für die Menschen kam zwölf Jahre später, als Neil Armstrong auf dem Mond spazierte.

Das in etwa ist die Zeitspanne, die sie nun auch bei Google ausrufen. Künftige Anwendungen sollen dann ein ebenso großer Schritt für die Menschheit sein wie der Fußabdruck von Armstrong auf dem Mond. Ein Beispiel: Wer heutzutage eine Idee für ein Arzneimittel hat, der setzt es zusammen und testet sein Produkt. Quantenprozessoren sollen diese komplexen Prozesse simulieren und so mehrere Millionen Ideen gleichzeitig prüfen. Das könnte der Pharmazie einen enormen Schub verleihen. Bahnbrechende Anwendungen in Medizin, Chemie, Finanzwesen und Autobau - darauf hoffen die Quantenforscher. Neven sagt, dass es neben den derzeitigen Partnern Daimler und Volkswagen weitere deutsche Firmen gebe, die vielversprechende Ideen hätten.

Sie wollen nichts versprechen bei Google - was eher eine Seltenheit ist in der selbstbewussten Tech-Welt Kaliforniens. Jeder beteiligte Forscher sagt: Die Arbeit hat erst begonnen. Man müsse auch keine Angst haben, dass ein Bösewicht in absehbarer Zeit mit einem Quantencomputer sämtliche digitalen Verschlüsselungen der Welt knackt, so wie die Leute einst fürchteten, dass vom Sputnik Raketen abgeworfen würden. Sie wissen, dass sie einen Meilenstein erreicht haben in diesem Labor. Sie wissen aber auch, dass dieses Experiment erst einmal keinen Nutzen hat und dass es noch Jahre, vielleicht Jahrzehnte dauern könnte bis zu ersten Anwendungen mit realem Nutzen.

An der Wand haben sie einen Spruch der britischen Mathematikerin Ada Lovelace angebracht. Sie hat Mitte des 19. Jahrhunderts eine Rechenmaschine entwickelt und gilt einigen deshalb als erste Programmiererin der Menschheit. Von ihr stammt der Satz, der in diesem Labor als Leitspruch dient: "Ich bin nie wirklich zufrieden, wenn ich irgendwas verstehe - weil, so gut ich es auch kapieren mag: Mein Verständnis wird immer nur ein unendlich kleiner Teil dessen sein, was ich verstehen möchte."

© SZ vom 25.10.2019
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