Überbewertete Superrechner: Quantencomputer hätten kaum was zu tun
Quantencomputer sollen einmal sehr viel schneller rechnen als herkömmliche Computer. Bislang existieren sie nur in Form von Machbarkeitsstudien in Physiklabors und haben noch kein praxisrelevantes Rechenproblem gelöst. Die Expertenwelt ist unsicher, wann es den ersten praxistauglichen Quantencomputer geben wird. Wenn es allerdings schon morgen so weit wäre, gäbe es kaum etwas für den Quantencomputer zu tun: Trotz 20 Jahren Forschung kristallisieren sich bislang nur wenige potenzielle Anwendungen heraus.
Nur zwei praxisrelevante Methoden versprechen einen klaren Tempovorteil gegenüber klassischen Rechnern: Das Knacken von gängigen Verschlüsselungsverfahren wie dem RSA-Code sowie die schnelle Suche in ungeordneten Datenbanken. Eine davon noch dazu kaum nutzbringend. Wird es bei dieser Dürftigkeit bleiben? Drei führende Experten vom renommierten Massachusetts Institute of Technology (MIT) skizzieren für Golem.de, was von Quantencomputern zu erwarten ist und was nicht.
Der Zufall bestimmt die Lösung
In der öffentlichen Wahrnehmung gebe es ein großes Missverständnis, sagt Scott Aaronson(öffnet im neuen Fenster) , der das Potenzial und die Grenzen von Quantencomputern erforscht. "Die Leute denken, der Quantencomputer gehe durch eine Überlagerung aller möglichen Antworten und irgendwie schreie die korrekte Antwort laut über alle anderen hinweg, um sich bemerkbar zu machen" Doch am Ende der Rechnung bestimme allein der Zufall, welche der Lösungsmöglichkeiten ausgegeben werde. Ein Zufallsgenerator liefere das gleiche Resultat, sagt der Informatiker.
Er erklärt den Unterschied: "Der Trick ist die sogenannte Interferenz." Die Antworten würden im Quantencomputer in Form von Wellen dargestellt, und Wellen könnten sich gegenseitig auslöschen oder verstärken. "Die Kunst ist, die Interferenz so zu steuern, dass sich die Wege, die zu den falschen Antworten führen, gegenseitig auslöschen, so dass der Weg zur richtigen Antwort übrigbleibt." Beim Messen erhalte man dann sehr wahrscheinlich die richtige Antwort.
Ein Quantencomputer ist wie ein Orchester
Seth Lloyd, ein theoretischer Physiker, der den ersten funktionierenden Quantencomputer entworfen hat, sagt: "Einen Quantencomputer zu steuern, ist wie ein Orchester zu dirigieren. Das Ziel ist eine passende, gewissermaßen harmonische Interferenz zwischen den Tönen, also den möglichen Antworten."
Es sei aber nicht für jedes Problem möglich, die richtige Orchestrierung zu finden, genauer: "Insgesamt scheint es nicht für allzu viele Probleme eine solche Orchestrierung zu geben." Die Probleme müssten offenbar eine ähnliche mathematische Struktur haben wie das Faktorisierungsproblem, welches dem Knacken des RSA-Codes zugrunde liegt.
Dafür finde der Quantencomputer grob gesagt schnell heraus, ob in einer sehr, sehr langen Prozession von Zahlen Wiederholungen auftreten, auch wenn diese sehr, sehr weit auseinanderliegen. "Die Frage ist, ob es noch andere Probleme als das Faktorisierungsproblem gibt, die derart lange Perioden aufweisen" , sagt Peter Shor.
Er hat vor genau 20 Jahren den nach ihm benannten Faktorisierungsalgorithmus entdeckt, woraufhin die Öffentlichkeit erstmals auf Quantenrechner aufmerksam wurde. "Mir sind keine solchen Probleme bekannt" , sagt der Mathematiker und Informatiker.
Das Problem des Handlungsreisenden
Die Grenzen des Quantencomputers könnten also recht eng gesteckt sein: "Es gibt zwar zehntausende Probleme, von denen viele für Anwendungen interessant sind, und die noch sehr viel schwieriger sind als das Faktorisierungsproblem" , sagt Aaronson. Sie hätten aber nicht dessen mathematische Struktur. "Wir haben bislang keinerlei Hinweise, dass diese Probleme effizient gelöst werden können, weder von einem normalen Computer noch von einem Quantencomputer" , sagt Aaronson.
Darunter fielen Optimierungsaufgaben wie das Problem des Handlungsreisenden(öffnet im neuen Fenster) , bei dem die kürzeste Reiseroute zwischen vielen Städten gefunden werden muss. Mit jeder zusätzlichen Station vervielfacht sich die Zahl der Möglichkeiten, was jeden klassischen Rechner früher oder später kapitulieren lässt. Optimierungsprobleme treten in der Praxis häufig auf, nicht nur bei Reiseplanungen, etwa bei der Ressourcenplanung in einer Fabrik oder der Planung einer Raumfahrtmission, weshalb auch die Nasa an Quantencomputern interessiert ist.
Dass nach 20 Jahren Forschung das Anwendungsprofil des Quantencomputers noch recht dürftig ist, liegt demnach nicht daran, dass es keine Anwendungen gibt – diese sind nur sehr schwer zu finden. Peter Shor sagt, dass die Hürden erst genommen würden, wenn es praxistaugliche Quantencomputer gebe. "Als es klassische Computer gab, wurden eine Menge neuer Algorithmen entdeckt, weil die Leute sie an den Geräten ausprobieren konnten. Das Gleiche könnte mit Quantencomputern geschehen" , sagt Shor.
Quantenrechner könnten versteckte Muster entdecken
Unter den wenigen absehbaren Anwendungen seien allerdings einige hoch relevante, meint Seth Lloyd. Eine davon sei die Entdeckung versteckter Muster. Darunter fielen Dinge wie maschinelles Lernen oder Big-Data-Anwendungen. Für klassische Computer hätten sich etwa Sprach- oder Handschrifterkennung als sehr schwierig erwiesen. Sie gäben Computern etwa 10.000 Beispiele der handgeschriebenen Ziffer 5 und 10.000 Beispiele der Ziffer 7. Danach könne er selbständig handgeschriebene Fünfen und Siebenen unterscheiden. "Wir glauben, dass Quantencomputer das sehr viel schneller lernen könnten."
Auch beim Analysieren großer Datenmengen werde der Quantencomputer punkten, fährt Lloyd fort. Zum Beispiel beim Aufteilen von Daten in Gruppen. "Das wird ein Quantencomputer substanziell schneller können" , sagt der Physiker. Aaronson hält es hingegen für "Spekulation" , dass die von Lloyd genannten Beispiele tatsächlich die ersehnte Quanten-Beschleunigung erbringen.
Quantenrechner könnten das Cloud-Computing sicherer machen
Einig sind sich die Experten darin, dass Quantencomputer das Cloud-Computing sicherer machen können. Mit einer Technik namens Blind Quantum Computing(öffnet im neuen Fenster) kann ein Nutzer eine Aufgabe an den Quantencomputer eines Dienstleisters senden, dort lösen lassen und das Ergebnis empfangen, ohne dass der Dienstleister die Daten einsehen könnte. Mehr noch: ohne dass er erfährt, um welche Art von Rechnung es sich handelt. Sobald es leistungsfähige Quantencomputer gebe, könne das Blind Quantum Computing effizient durchgeführt werden, meint Scott Aaronson.
Es gibt auch einige Forscher, die einen praxistauglichen Quantencomputer für unmöglich halten, weil ein großer Quantencomputer zu vielen störenden Umwelteinflüssen ausgesetzt wäre, als dass die diffizile Orchestrierung gelingen könnte. Scott Aaronson beeindruckt das nicht. Er findet, es gebe nichts zu verlieren: "Wenn wir entdecken sollten, dass es einen tiefen Grund gibt, warum Quantencomputer unmöglich sind, dann würde das ironischerweise das aufregendste Resultat sein! Denn wir müssten dann die Physikbücher umschreiben, um dem neuen Verständnis Rechnung zu tragen. Wahrscheinlicher jedoch ist der langweiligere Befund: dass man Quantencomputer bauen kann. In beiden Szenarien werden wir etwas Interessantes lernen."