Der schwierige Weg zum Quantencomputer

Die Quanten-Technologie ist heute sehr wichtig für viele Länder. Es gibt einen globalen Wettbewerb. China, Großbritannien, Japan, Kanada, Australien, Deutschland, Frankreich, Russland, Israel, Singapur und viele andere Länder haben lange Programme mit großen Zielen. Tausende Firmen arbeiten im Quanten-System. Einige Dutzend Firmen bauen Computer. Es gibt schon erste einfache Prototypen von Quantencomputern.

Im Juni verkünden die USA eine neue Initiative mit dem Namen Quantum Genesis Initiative. Sie wollen alle Kräfte des Landes nutzen. Das Ziel: Bis 2028 einen fehlertoleranten Quantencomputer bauen, der für die Wissenschaft wirklich nützlich ist. China will eigene Standards für Post-Quanten-Kryptografie bauen. Diese Standards sollen unabhängig sein, also nicht auf den Standards von NIST aus den USA oder ETSI aus Europa basieren. Viele Menschen träumen von einer Quanten-Revolution. Sie soll so wichtig werden wie Halbleiter und Künstliche Intelligenz. Das ist sehr attraktiv. Aber es gibt auch Übertreibungen und Missverständnisse über dieses moderne Thema. Der globale Quanten-Wettbewerb verändert sich noch stark. Deshalb brauchen wir eine objektive und rationale Bewertung. Wir müssen echte Wissenschaft von Übertreibung trennen. So können Länder und Firmen ihr Geld besser nutzen und große Fehler vermeiden. Dieser Artikel will so eine Sicht zeigen.

Eine seltsame Welt, aber nicht neu

Das Jahr 2025 markiert 100 Jahre Quantenmechanik. Die Quantenmechanik ist ein Teil der Physik. Sie untersucht Materie auf der Ebene von Atomen. Dort misst man Größe und Abstand in wenigen Nanometern und kleiner. Ein Nanometer ist ein Milliardstel von einem Meter. Dort verhalten sich Atome und Elektronen ganz anders als unsere normale Intuition. Sie sind Welle und Teilchen zugleich. Sie können gleichzeitig in vielen Zuständen sein. Sie können miteinander verschränkt sein. Das gibt es nur in dieser seltsamen Welt. Und wir können nicht alle Informationen über sie wissen. Die Quantenmechanik benutzt ein schönes mathematisches System. Man lernt sie an Universitäten auf der ganzen Welt, seit vielen Generationen. Diese seltsamen Eigenschaften haben die erste Quanten-Revolution gebracht, seit den 1940er Jahren. Sie hat Halbleiter, Transistoren und integrierte Schaltkreise gebracht. Sie hat auch Satelliten-Kommunikation und globale Navigation, Laser, Solarzellen, MRT-Bilder und viele andere Technologien gebracht. Sie haben unser modernes Leben geformt. Heute gehen wir in die zweite Quanten-Revolution. Jetzt nutzen wir vor allem drei Dinge: Superposition, Interferenz und Verschränkung. Damit hoffen wir auf viel mehr in Quanten-Computern, Quanten-Kommunikation, Sensoren und Quanten-Kryptografie.

Dieser Artikel konzentriert sich auf Quanten-Computer. Dazu gehört ein großes, vielfältiges und starkes Wissenschafts-System. Einfach gesagt hat dieses System drei Teile: Quanten-Materialien, Quantencomputer sowie Quanten-Algorithmen und Rechenmethoden. In diesem System ist ein starker und fehlertoleranter Computer für praktische Probleme die große Herausforderung. Daran arbeiten Techniker, Physiker, Materialforscher, Informatiker und auch Manager und Politiker. Wir sind von diesem Ziel noch weit entfernt. Das Jahr 2028 kann ein interessanter Zeitpunkt sein, wie am Anfang gesagt. Die Prototypen von heute sind noch sehr einfach. Sie können noch keine praktischen Probleme lösen, die normale Computer schon lösen. Warum ist das so?

Woher kommt die Kraft des Quantencomputers?

Ein normaler Computer arbeitet mit Bits. Ein Bit ist 0 oder 1. Ein Quantencomputer arbeitet mit Qubits. Durch Superposition kann ein Qubit jede Kombination aus 0 und 1 sein. Wenn man viele Qubits verbindet, wird der Raum der Zustände extrem groß. Dazu gehören auch komplexe Zustände, wenn die Qubits miteinander verschränkt sind. In diesem Raum arbeiten Quanten-Algorithmen mit Informationen. Ihre Strukturen sind ganz anders als bei normalen Computern.

Der Grover-Algorithmus für die Suche in Datenbanken ist ein klassisches Beispiel. Ein normaler Computer muss bei einer sehr großen Menge eine Möglichkeit nach der anderen prüfen, bis er die Antwort findet. Der Quanten-Algorithmus für dieses Problem nutzt zum Beispiel ein System mit 3 Qubits und 8 Basis-Zuständen. Am Anfang ist das System in Superposition. Alle 8 Möglichkeiten gehen gleichzeitig in die Rechnung. Nach den Schritten des Algorithmus wirkt die Quanten-Interferenz. Die Wahrscheinlichkeit für den gesuchten Zustand wird größer. Die Wahrscheinlichkeit für die anderen Zustände wird kleiner. Bei der Messung gibt das System mit hoher Wahrscheinlichkeit die gesuchte Antwort. Der Quantencomputer muss nicht alle Zustände einzeln prüfen. Deshalb kann er mit einer Geschwindigkeit arbeiten, die kein klassischer Computer erreicht. Dieses Prinzip ist wie eine schöne Rose, aber es hat viele Dornen in der Praxis. Der Grover-Algorithmus bringt in der Theorie eine starke Beschleunigung. Aber in der Praxis ist der Effekt begrenzt. Das Problem ist: Daten in den Quantencomputer hinein und wieder heraus zu bringen.