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Computer:Warum Physiker Angst vor dem Quantenwinter haben

Chip eines Quantencomputers

Ein Quantencomputer von Google, genannt "Sycamore", hängt bei einem speziellen Algorithmus selbst die schnellsten Supercomputer ab

(Foto: AFP)
  • Die Bundesregierung will in der laufenden Legislaturperiode 650 Millionen Euro in Quantentechnologien investieren.
  • Doch deutsche Forscher kritisieren das Programm: Ausschreibungen lassen auf sich warten, für die Entwicklung von Hardware für Quantencomputer ist nur ein geringer Betrag vorgesehen.
  • Noch sind nützliche Anwendungen für Quantencomputer in weiter Ferne. Zuerst müssen Entwickler die Fehlerkorrektur der Maschinen in den Griff bekommen.

Im Keller von Gebäude 04.8 des Forschungszentrums Jülich umfasst Markus Jerger eine weiße Schale mit beiden Armen und zieht sie vorsichtig an einem mannshohen Zylinder herunter. Darunter erscheint wie bei einer russischen Matrjoschka-Puppe eine weitere Schale und noch eine, bis goldglänzende Stangen, Röhren und Drähte freiliegen. Jerger deutet auf den Kühlapparat. "Da werden wenige Tausendstel Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt herrschen", sagt der Physiker. Die Apparatur wartet auf einen Prozessor, der in wenigen Jahren schneller rechnen soll als die derzeit leistungsstärksten Superrechner.

Mit dem Jülicher Quantencomputer erscheint Deutschland auf der Weltkarte des Quantencomputings, auf der bislang vor allem die USA und China sichtbar sind. Die Bundesrepublik bekommt sogar noch einen zweiten: Die US-Firma IBM will ihren kommerziellen Quantenrechner "Q System One" in einem deutschen Rechenzentrum aufstellen und zusammen mit der Fraunhofer-Gesellschaft betreiben. Dazu will die Bundesregierung in dieser Legislaturperiode 650 Millionen Euro für Quantentechnologien ausgeben.

Doch Freude will bei deutschen Experten nicht aufkommen. Um das zu verstehen, muss man ein wenig ausholen. In der Theorie sind Quantencomputer wahre Wundermaschinen. Die Rechner nutzen Gesetze der Quantenphysik, die für Atome, Elektronen oder andere kleinste Teilchen gelten. Eines davon nennt sich "Überlagerung". Demnach kann ein einzelnes Teilchen mehrere Zustände simultan einnehmen, ein Atom zum Beispiel an zwei Orten gleichzeitig sein.

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Die Überlagerung lässt sich für sogenannte Qubits nutzen. Während die kleinste Einheit eines klassischen Computers, das Bit, jeweils nur 0 oder 1 annehmen kann, speichert das Qubit beide simultan. Jedes zusätzliche Qubit verdoppelt die Anzahl der speicherbaren Werte. Mit rund 300 Qubits lassen sich schon mehr Zahlen aufnehmen, als das Universum Teilchen besitzt.

Ein Algorithmus, der Qubits verknüpft, kann die Werte simultan verarbeiten, viele Rechenwege parallel gehen. Besonders glänzen soll der Wunderrechner bei Aufgaben mit vielen Lösungsmöglichkeiten. Er könnte in der Theorie Warenströme oder Finanzportfolios optimieren oder Moleküle simulieren, um die Entwicklung von Medikamenten zu beschleunigen.

Kleinste Störungen bringen die Wunderrechner durcheinander, Anwendungen sind noch fern

In der Praxis erweist sich der Bau eines Quantenrechners jedoch als schwierig. Seit mehr als 20 Jahren arbeiten Forscher weltweit daran. Zwar hat ein Quantenprozessor mit 53 Qubits von Google vor Kurzem erstmals einen speziellen Algorithmus binnen Minuten ausgeführt, für den selbst der schnellste Supercomputer der Welt Jahrtausende benötigt hätte. Der Algorithmus hat jedoch noch keinen konkreten Nutzen. Die Crux bei der Entwicklung: Die kleinste Störung von außen zerstört die Überlagerung. Dafür reicht schon der Stoß mit einem Luftmolekül oder etwas zu viel Wärme. Vakuum und tiefe Temperaturen sollen die Qubits daher schützen.

"Die Hüllen schirmen auch elektromagnetische Felder ab", erklärt Jerger, während er diese von dem Kühlapparat abmontiert. Trotzdem lassen sich Qubits nur Sekundenbruchteile in der Überlagerung halten. Zu kurz für komplexe Algorithmen. Forscher wollen deshalb Korrektur-Qubits einbauen, die Fehler rückgängig machen. Das schafft aber einen Wasserkopf. Ein breit einsetzbarer Quantencomputer wird daher mehrere Tausend, wenn nicht hunderttausend Qubits benötigen, schätzen Experten.

"Die Entwicklung dieser Fehlerkorrektur wird noch lange dauern", sagt Frank Wilhelm-Mauch von der Universität des Saarlandes, der das Projekt Open Super Q leitet, das die EU mit rund zehn Millionen Euro fördert. Der Physiker baut derzeit den Quantenrechner in Jülich auf, der 50 bis 100 Qubits erhalten soll.