Die D-Wellenreiter

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Seit Jahren gilt der Quantencomputer als eine der Computertechnologien der Zukunft. Im vergangenen Jahr machte das kanadische Startup D-Wave Schlagzeilen, als es den Prototypen für einen kommerziellen Quantenrechner vorstellte. Fachleute zweifelten den behaupteten Durchbruch allerdings an. Der MIT-Forscher Seth Lloyd, einer der Pioniere der Quanteninformatik, hat das technische Konzept, das D-Wave nach eigenen Angaben nutzt, entwickelt. Für Technology Review erläutert er, wo das Problem liegt.

Computer verarbeiten Information, indem sie sie in ihre kleinstmögliche Einheit zerlegen: in Bits. Ein Bit stellt dabei einen von zwei einander ausschließenden Zuständen dar: „wahr“ oder „falsch“, „ja“ oder „nein“, oder in der üblichen informationstechnischen Form „1“ oder „0“.

Seit den sechziger Jahren folgt die Computertechnik dabei dem so genannten Moore’schen Gesetz: Die Leistungsfähigkeit von Rechnern verdoppelt sich etwa alle anderthalb Jahre, wobei die logischen Bausteine immer kleiner werden. Der Endpunkt dieser Entwicklung wäre ein Computer, der einzelne Atome nutzt, um Bits zu repräsentieren. Könnten wir die Technologie noch weiter in den subatomaren Bereich herunterskalieren, ließen sich einzelne Bits sogar mittels Elektronen oder Quarks darstellen. Aber bleiben wir bei den derzeit bekannten Möglichkeiten.

Wenn die gegenwärtige Miniaturisierung anhält, wird Ihr PC die Marke „ein Atom, ein Bit“ etwa gegen 2050 erreichen. Können wir das tatsächlich schaffen? Erstaunlicherweise gibt es bereits Prototypen solcher Rechner im Labor. Man nennt sie „Quantencomputer“, weil sie Information in einer physischen Größenordnung speichern und verarbeiten, für die die Gesetze der Quantenmechanik gelten.

Dieser Zweig der Physik beschäftigt sich mit dem Quantenkosmos – also Vorgängen auf unglaublich kleinen Längenskalen. Ihre Gesetzmäßigkeiten sind bekanntlich ziemlich seltsam. Kein Wunder, dass Quantencomputer ebenfalls eigenartig sind. Konventionelle elektronische Rechner folgen strikt einer binären Logik: Jedes Bit kann nur entweder „0“ oder „1“ repräsentieren. Quantenbits hingegen, auch „Qubits“ genannt, sind anders: Sie können gleichzeitig den Wert „0“ oder „1“ darstellen. Dieses Phänomen wird in der Quantenmechanik als „Superposition“ oder Überlagerung von Zuständen bezeichnet. Was bedeutet es nun konkret, dass ein Qubit beide Werte simultan enthalten kann? Die korrekte Antwort ist: Man weiß es nicht so genau. Die der alltäglichen Erfahrung zuwiderlaufende Natur der Quantenmechanik spielt unserem Verstand einen Streich, wenn wir versuchen, sie zu begreifen. Und doch sind die Gesetze der Quantenmechanik exakt, so dass wir genau vorhersagen können, wie sich Quantencomputer verhalten.

Weil ein Qubit gleichzeitig zwei verschiedene Werte annehmen kann, sind es bei zwei Qubits vier: in der binären Schreibweise „00“, „01“, „10“ und „11“. Bei vier Qubits sind es bereits 16 Kombinationen von Bitwerten (2 hoch 4), bei acht 256 (2 hoch 8) und so weiter. Das bedeutet: Selbst ein relativ kleiner Quantencomputer mit einigen zehntausend Qubits könnte so viele Bitwerte verarbeiten, dass damit sämtliche bekannten Schlüssel geknackt werden könnten, die heute für eine sichere Internetkommunikation in Gebrauch sind. Quantencomputer könnten auch extrem schnelle Datenbanksuchen vornehmen oder Probleme lösen, an denen sich klassische Computer die Zähne ausbeißen – selbst wenn man sie Milliarden Jahre laufen ließe.

Meine Kollegen und ich bauen am MIT seit 1996 einfache Quantencomputer, die Quantenalgorithmen ausführen. Sie verhalten sich genauso wie erhofft. Spannend wird es, wenn es gelänge, sie auf tausende oder zehntausende Qubits hochzuskalieren.

Angesichts der Möglichkeit, damit streng geheime kodierte Datenübertragungen zu entschlüsseln, überrascht es nicht, dass diverse US-Behörden die Entwicklung der Technologie genau verfolgen. Der Geheimdienst NSA etwa macht keinen Hehl daraus, dass er es lieber sähe, wenn keine Quantencomputer gebaut würden. Andererseits: Sollte es doch klappen, will die NSA natürlich den Ersten haben – deswegen unterstützt sie auch die Forschung daran.

Aber auch die Wirtschaft interessiert sich für Quantencomputer. Nach derzeitigem Forschungsstand ist mit mächtigen „Code-Knackern“ frühestens in zehn Jahren zu rechnen. Deshalb konzentrieren sich Unternehmen im Moment auf zwei einfachere Varianten.