Quantencomputer von IBM arbeitet mit Quantenbits

Der Computer der Zukunft ist nicht viel größer als ein Fingernagel und sieht aus wie ein gewöhnlicher Siliziumchip. Und doch vermag er Dinge, die selbst noch so leistungsfähigen Supercomputern wohl für immer versagt bleiben, schwärmt Jerry Chow vom Thomas J. Watson Research Center des Computerherstellers IBM in Yorktown Hights (New York). Die sichersten Codes lassen sich ohne größere Mühe rasch knacken; riesige Datenbanken sind in Windeseile durchforstet; und die komplexesten Optimierungsaufgaben werden mit Leichtigkeit gelöst. Denn der Quantencomputer, an dem Chow mit seinen Kollegen seit einigen Jahren arbeitet, erledigt Rechenoperationen nicht Schritt für Schritt wie ein PC, sondern auf einen Schlag. Möglich wird das, weil die IBM-Maschine die Prinzipien der Quantenphysik nutzt. So können Quantenobjekte nicht nur zwei verschiedene Zustände gleichzeitig annehmen, sie bleiben trotz auch noch so großer Distanzen wie durch Magie immer miteinander verbunden. Zwei Phänomene, die man in der Alltagswelt nicht beobachtet und die nur schwer zu erklären sind. Der dänische Nobelpreisträger Niels Bohr hatte einst über die Quantenphysik gesagt, "wer zum ersten Mal davon hört und nicht empört ist ... der hat sie nicht richtig verstanden." Als Werner Heisenberg gefragt wurde, wie man sich das denn alles vorstellen solle, sagte er nur: "Versucht es gar nicht erst." Eins oder Zwei? Nein, beides zugleich! Und dennoch schaffen es die Physiker heutzutage mit Bravour, die fragilen Quantenzustände von Atomen zu kontrollieren und zu manipulieren. Dadurch haben sich völlig neue Möglichkeiten in der Informationsverarbeitung eröffnet. Schon in den achtziger Jahren überlegten Physiker wie Richard Feynman, wie man die Quantenphysik zum Rechnen nutzen könnte. Erste erfolgversprechende Ansätze wurden in den neunziger Jahren entwickelt. Sie ließen so ziemlich alles hinter sich, was die traditionelle Computertechnik betraf. Während jeder PC nach den Regeln der binären Algebra mit Bits rechnet, die nur die beiden Werte "0" oder "1" annehmen können, arbeitet ein Quantencomputer mit Quantenbits, kurz Qubits. Die Überlegenheit eines solchen Rechners beruht darauf, dass eine quantenphysikalische Informationseinheit außer den beiden binären Zuständen noch beliebig viele Zwischenzustände annehmen kann, und das simultan. Bei zwei Qubits sind die vier Zustände (0/0), (1/0), (0/1), (1/1) gleichzeitig möglich. Das eröffnet gegenüber herkömmlichen Computern völlig neue Welten. So wächst die Zahl der Kombinationen in einem Quantencomputer exponentiell mit der Anzahl der Qubits. Entsprechend steigt die Menge der gespeicherten Information. Dabei werden die Qubits ähnlich wie die Bits in einem klassischen Rechner durch logische Rechenschritte verarbeitet. Darüber hinaus sind aber auch Operationen möglich, die es bei klassischen Computern nicht gibt. Eine Besonderheit beim Rechnen mit Quantenbits ist nämlich, dass diese sich in Zuständen befinden können, die nicht eindeutig sind. Sie befinden sich wie eine Wolke am Himmel in einer Art Schwebezustand; sie sind sowohl aktiviert als auch nicht aktiviert; sie sind zugleich ein- und ausgeschaltet. Ist das der Fall, sprechen die Wissenschaftler von einem "unbestimmten Wert". Erst bei einer konkreten Messung wird dieser fein austarierte Schwebezustand zerstört. Das Rechenergebnis liegt am Ende in einzelnen Bits vor wie bei einem PC. Der Wettlauf hat begonnen Im 1994 hatte der Mathematiker Peter Shor gezeigt, dass ein Quantenrechner aufgrund der verblüffenden Eigenschaft der Quantenbits bestimmte numerische Probleme rascher lösen kann als jeder noch so schnelle klassische Computer. Noch sind die ersten Prototypen solcher Superrechner nur rudimentäre Vorstufen. Sie arbeiten bislang mit nur wenigen Qubits. Je mehr davon aber gebändigt werden können, desto größer wird die Rechenleistung sein. Den Rekord mit 14 Qubits hält bislang ein Quantencomputer an der Universität Innsbruck. IT-Konzernen wie HP oder IBM schweben schon Rechenmaschinen mit einigen hundert Qubits vor. Dafür investieren sie Millionen von Dollar. Auch Microsoft, die amerikanische Weltraumbehörde Nasa und die Sicherheitsbehörde NSA wollen einen solchen Wunderrechner haben. Google will in zwei Jahren einen leistungsfähigen Quantencomputer präsentieren. Dafür hat der Internetriese den amerikanische Physiker John Martinis von der University of California engagiert. Martinis forscht seit gut 30 Jahren federführend auf dem Gebiet und hat einen supraleitenden Quantenprozessor aus neun Qubits produziert. Er arbeitet nun für Google in einem nagelneuen Labor im kalifornischen Santa Barbara. Aus Angst, angesichts der amerikanischen Vorhaben den Anschluss in der Quantentechnologie zu verlieren, will man in Europa nun auch die Entwicklung der Quantentechnologien und den Bau eines universellen Quantencomputers beschleunigen. Dafür hat die EU-Kommission ein milliardenteures Flaggschiff-Projekt auf den Weg gebracht. Auch in China und in Japan wird bereits viel Geld in die Quantentechnologie gesteckt. Dabei steht die technische Entwicklung erst ganz am Anfang. Rechnen mit supraleitenden Quantenbits So ist noch offen, auf welchen Quantensystemen der Rechner der Zukunft beruhen wird. Die verschiedenen Ansätze, die man verfolgt, unterscheiden sich vor allem darin, wie die Quantenbits gespeichert werden. Als Träger der Qubits kommen neutrale oder geladene Atome und Elektronen in Frage. Auch Photonen, die Quanten des Lichts, und Stickstoffatome im Diamant wären eine Option. Als aussichtsreichste Kandidaten für die Speicherung von Quantenbits aber gelten elektrische Schaltkreise, die in supraleitende Mikrochips integriert sind. Ihr Vorteil: Quantenprozessoren lassen sich mit den bekannten Verfahren der Halbleitertechnik fertigen und können zwecks Leistungssteigerung beliebig miteinander verbunden werden. Die Physiker in den Google-Labs und auch die bei IBM arbeiten an dieser Methode. Auf den ersten Blick erinnert der Prozessor aus dem Labor von Jerry Chow an einen PC-Chip. Auf den zweiten Blick aber zeigt sich mehr. Auf dem fingernagelgroßen Baustein werden die Qubits in winzigen Metallschlaufen gespeichert. Das Ganze wird dann auf weniger als ein Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt. Der Grund: Bei dieser Temperatur werden die Leiterbahnen supraleitend. Das heißt, Strom fließt ohne elektrischen Widerstand. Dabei schließen sich je zwei Leitungselektronen zu sogenannten Cooper-Paaren zusammen. Sie wandern paarweise ohne jegliche Reibung durch die Leiterbahnen. Wenn man schließlich ein Magnetfeld anlegt, setzt sich ein elektrischer Strom aus Milliarden Cooper-Paaren in Gang. Die Ladungsträger bewegen sich gleichzeitig vorwärts und rückwärts; sie fließen faktisch im und entgegen dem Uhrzeigersinn durch die Leiterbahnen - und das gleichzeitig. Ein Quantenbit ist entstanden. Chow und seine Kollegen haben ihren Quantenprozessor mit fünf Metallschlaufen ausgestattet. Die können je ein Qubit aufnehmen und speichern. Wie in einem herkömmlichen Computer gibt es "Datenspeicher" und einen "Datenbus". Der Betrieb des Quantenrechners erfordert allerdings einen riesigen Aufwand. Neben der teuren Kühlung mit flüssigem Helium bedarf es einer empfindlichen Elektronik, die jegliches Störsignal vermeidet. Denn unerwünschte Umwelteinflüsse zerstören die fragilen Quantenzustände und beeinträchtigen die Funktionsfähigkeit des Prozessors. "Nobody is perfect" - erst recht nicht der Quantencomputer. Und so können trotz aller Vorsichtsmaßnahmen durch Restwärme und unerwünschte elektrische Streufelder schwerwiegende Fehler bei den Berechnungen auftreten. Diese Fehler werden von Quantenbits verursacht, die ihre Zustände plötzlich und unkontrolliert ändern. Durch eine trickreiche Korrekturmaßnahme können Chow und seine Kollegen die Defekte beheben - eine wichtige Voraussetzung für jeden funktionierenden Quantencomputer. Und was kann Chows Quantenprozessor mit seinen fünf Qubits? Er ist in der Lage, in einer unsortierten Liste aus fünf verschiedenen Einträgen einen bestimmten gezielt herauszufischen. Wofür ein klassischer Computer mindestens zwei Versuche benötigt, braucht der Quantenrechner einen. Die Vision von Chow und seinen Kollegen ist ein Quantenrechner mit mindestens 40 bis 50 supraleitenden Qubits, den er bald zu verwirklichen hofft. Auf den Weg dorthin haben sie ihren Fünf-Qubit-Prozessor jetzt über eine Schnittstelle mit der "klassischen" Internetwelt verbunden. Über die IBM Cloud (www.ibm.com/quantumcomputing) kann jeder mit seinen PC oder Mobilgerät auf das System zugreifen und es testen. Die zweite Quantenrevolution klopft an die Tür.