Technik:Sind Quantencomputer endlich zu etwas gut?

Technik: Diesen Quantencomputer hatte IBM in Las Vegas auf der CES 2020 präsentiert.

Diesen Quantencomputer hatte IBM in Las Vegas auf der CES 2020 präsentiert.

(Foto: ---/dpa)

Laut IBM ist die "Quantum Utility" erreicht: Ein Quantencomputer habe seinen praktischen Nutzen erwiesen. Ist die Begeisterung berechtigt? Ein Gespräch mit dem Informatiker Ilia Polian.

Interview von Theresa Palm

SZ: Herr Polian, ein Team von IBM hat jetzt den Quantencomputer Eagle simulieren lassen, wie sich 127 Stabmagnete gegenseitig beeinflussen. Das soll nützlich sein?

Ilia Polian: Das ist zunächst mal eine Demonstration. Die Forscher haben es geschafft, eine Berechnung vier Stunden laufen zu lassen, die auf einem herkömmlichen Supercomputer acht Stunden bräuchte. Im theoretischen Idealfall, also ohne Wartezeit, bräuchte Eagle sogar nur fünf Minuten. Ein Quantencomputer ist dann besser, wenn er schneller ist als ein normaler Computer. Das ist hier der Fall. Und die Anwendung ist im Grundsatz sinnvoll: Solche Simulationen werden wirtschaftliche und wissenschaftliche Fragestellungen lösen können.

Der letzte Meilenstein war 2019 Googles sogenannte Quantenüberlegenheit. Auch damals war ein Quantencomputer schneller als ein herkömmlicher Rechner. Was ist jetzt anders?

Das Experiment damals hatte überhaupt keine Anwendung. Es wurde nur entwickelt, um zu zeigen, dass ein Quantencomputer schneller sein kann als ein klassischer Rechner. Mit dem, was IBM jetzt gezeigt hat, könnten Materialwissenschaftler Werkstoffe simulieren, oder die Technologie lässt sich in der Medikamentenentwicklung einsetzen.

Was genau hat IBM jetzt anders gemacht?

Dazu muss man eines verstehen: Quantencomputer haben ein sehr hohes Rauschen, sie machen Fehler. Es gibt Algorithmen, die das abfangen können und auch dann funktionieren, wenn die Qubits Fehler machen. Aber in manchen Anwendungen wie der Kryptografie zum Beispiel geht das nicht. Sobald ein Qubit kaputt ist, ist das Ergebnis nicht mehr zu gebrauchen. IBM hat die Fehleranfälligkeit seines Quantenrechners reduziert, aber nicht komplett ausgemerzt.

Ist das ein Durchbruch?

Es ist das Ergebnis einer kontinuierlichen Entwicklung. Das ist keine Sprunginnovation, aber auch kein Hype.

Technik: Ilia Polian leitet das Institut für Technische Informatik der Universität Stuttgart. Sein Team erforscht auch Fehlerkorrekturen bei Quantencomputern.

Ilia Polian leitet das Institut für Technische Informatik der Universität Stuttgart. Sein Team erforscht auch Fehlerkorrekturen bei Quantencomputern.

(Foto: privat)

Der Durchbruch wäre eine Fehlerkorrektur, die Quantenrechner komplett zuverlässig macht?

Ja. Daran forschen alle. Mit einer Fehlerkorrektur, die auch in der Praxis funktioniert, könnten wir alle Wunder der Quantenalgorithmen ernten.

Lässt sich so eine Fehlerkorrektur grundsätzlich erreichen?

Es gibt kein Naturgesetz, das dagegen spricht. Es ist ein technisches Problem, die Prinzipien sind zum Teil seit Jahrzehnten bekannt. Aber es gibt Vieles auf der Welt, das nicht funktioniert, weil man nicht weiß, wie man es bauen soll.

Warum machen Quantencomputer überhaupt so viele Fehler?

Das liegt in der Natur der Sache. Der entscheidende Vorteil von Quantencomputern ist: Sie können mehrere Informationen gleichzeitig speichern. In einem klassischen Rechner hat ein Bit den Wert 1 oder 0. Im Qubit eines Quantencomputers hingegen können überlagerte Informationen vorliegen, bis sie ausgelesen werden. Sobald jemand nachschaut, was gespeichert ist, bricht dieser Quantenzustand zusammen und die Information kommt als 1 oder 0 in unsere klassische Welt. Das Problem ist: Quantenzustände sind sehr fragil. Es kann passieren, dass der Quantenzustand zusammenbricht, ohne dass jemand zuschaut. Je wärmer es ist, desto öfter kommt das vor. Deswegen laufen die meisten Quantencomputer wie auch der IBM-Rechner Eagle bei fast -273 Grad, kurz über dem absoluten Nullpunkt.

Was hat IBM gegen dieses Problem getan?

In der veröffentlichten Studie hat das Team den Fehler, das sogenannte Quantenrauschen, gezielt verstärkt und am Ende herausgerechnet. Je länger eine Rechnung dauert, desto mehr kann im Quantenrechner schiefgehen. Beispielsweise können Sie also statt 4 mal 4 rechnen: 4 mal 4 durch 4 mal 4. Es kommt das Gleiche raus, aber es dauert länger. Über 600 000 Durchläufe hinweg haben die Forscher den Fehleranteil variiert und am Ende quasi vom Ergebnis abgezogen. Außerdem haben sie ihre Qubits technisch verbessert, damit sie seltener ausfallen.

Ist IBM im Quantenrennen damit an Google vorbeigezogen?

Nicht unbedingt. Wenn man heute einen Quantenrechner kaufen wollte, wäre das beste Modell wahrscheinlich von Google oder IBM. Es gibt aber so viele weitere Ansätze und Startups mit neuen Technologien. Das kann in zwei Monaten schon ganz anders aussehen.

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