Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/geschichte-des-quantencomputings-das-ganze-universum-ist-ein-quantencomputer-1705-127600.html    Veröffentlicht: 03.05.2017 09:00    Kurz-URL: https://glm.io/127600

Geschichte des Quantencomputings

Das ganze Universum ist ein Quantencomputer

Das Rechnen mit Quantenzuständen sollte zuerst ein Problem der Physiker lösen: die seltsame Welt der Quanten zu simulieren. Und vielleicht ist es auch nur dafür sinnvoll.

Auf wann die Entstehung des ersten Quantencomputers datiert wird, hängt davon ab, wen man fragt. Seth Lloyd, Physiker am Massachusetts Institute of Technology (MIT), geht davon aus, dass das knapp 14 Milliarden Jahre her ist. Das damals im Urknall entstandene Universum sei, begründet er in seinem Buch "Programming the Universe", ein einziger, riesiger Quantencomputer, dessen Programm darin besteht, Raum, Zeit, Materie und schließlich auch den Menschen hervorzubringen. Seit dem Urknall hat der Kosmos nach Lloyd etwa 10 hoch 120 logische Operationen ausgeführt, und zwar an 10 hoch 90 Bit an Informationen. Ein normaler Computer, der in jedem Takt eine Operation ausführt, schafft pro Sekunde bis zu 10 hoch 10 Operationen. Die Argumentation dafür ist simpel: Wenn ein Objekt Informationen wie ein Quantencomputer speichert und verarbeitet und es keine Möglichkeit gibt, es experimentell von einem Quantencomputer zu unterscheiden, dann müsse es ja wohl eben solch einer sein.

Dieses Weltmodell hat Lloyd nicht erfunden: Schon 1967 hat der deutsche Ingenieur Konrad Zuse - von den Erkenntnissen der Quantenphysik beeinflusst - in seinem gleichnamigen Buch die These vom "Rechnenden Raum" aufgestellt. Jede quantisierte Zelle des Raums könne demnach als Computer verstanden werden, der mit seinen Nachbarzellen in ständigem Kontakt stehe, und zwar derart, dass sich alle Zustände nach einem universellen Programm verändern. Zuse versuchte sogar herauszufinden, wie dieses Programm aussehen müsste, damit die beobachtbare Welt als Ergebnis entsteht.

Quantensysteme ließen sich nicht simulieren

Der Quantencomputer im engeren Sinn hat eine deutlich kürzere Geschichte. Er entstand zunächst als Hilfsmittel für die Physiker, die beim Umgang mit Quantenphänomenen immer wieder an Grenzen stießen. Längst hatte sich die Simulation neben Experiment und Theorie zum wichtigen Werkzeug der Erkenntnis entwickelt, doch im Quantenreich versagte sie kläglich. Zunächst vermutete man, das sei ein Problem der Rechenleistung. Doch 1975 zeigte der Russe R. P. Poplawskij, dass es grundsätzlich unmöglich ist, Quantensysteme auf herkömmlichen Computern vollständig zu simulieren.

Anfang der 1980er Jahre, als Computer allmählich auch in die Haushalte einzogen und alltäglich wurden, lag der Schritt zum Quantencomputer anscheinend in der Luft. Der amerikanische Physiker Paul Benioff erarbeitete 1980 ebenso ein Konzept wie der russisch-deutsche Mathematiker Juri Manin. Als wichtigster Geburtshelfer wird trotzdem gern Nobelpreisträger Richard Feynman zitiert, der 1982 in einem auf einem Vortrag von 1981 basierenden Paper schrieb: "Wenn Sie eine Simulation der Natur bauen wollen, dann sollte sie besser quantenmechanisch sein, und, ei der Daus, plötzlich ist das ein wunderbares Problem, weil es ganz und gar nicht einfach aussieht."

Eine Turing-Maschine lässt sich auf einem Quantencomputer simulieren

Damit hatte er zweifellos gleich in mehrfacher Hinsicht Recht. Einen Quantencomputer zu konstruieren, ist alles andere als einfach, weil Quantenzustände vom Menschen so schwer zu kontrollieren sind. Die Natur hat damit überhaupt kein Problem, sonst gäbe es keine Photosynthese und - vielleicht - auch keine Denkprozesse. Zunächst befasste man sich mit dem Problem denn auch theoretisch. Der Oxford-Physiker David Deutsch zeigte 1985, wie sich das Konzept der Turing-Maschine ins Quantenreich übertragen lässt und dass sich jede Turing-Maschine auf einem Quantencomputer simulieren lässt.

Aber wie leistungsfähig ist so ein Gerät?

Der Quantencomputer arbeitet effizienter

Es dauerte erneut ein paar Jahre - erst 1992 lieferten David Deutsch und Richard Jozsa das erste Beispiel dafür, dass ein Quantenrechner effizienter als ein herkömmlicher Rechner arbeitet. 1994 wurde es dann richtig spannend, weil Dan Simon bewies, dass Quantencomputer bestimmte Probleme sogar exponentiell schneller bearbeiten können. Noch im selben Jahr wendete Peter Shor das auf die Primfaktorenzerlegung an, für die kein effizienter klassischer Algorithmus bekannt ist. Der Shor-Algorithmus sollte plötzlich einen großen Teil der Kryptografie aushebeln können - das weckte natürlich Begehrlichkeiten auf allen Seiten. Lov Grover entwickelte kurz darauf einen für effiziente Suchvorgänge wichtigen Algorithmus, und MIT-Forscher Lloyd konnte das von Feynman aufgestellte Problem eines Simulations-Algorithmus für Quantenzustände lösen.

Ende der 1990er Jahre begannen endlich auch die experimentellen Erfolge. Innsbrucker Physiker um Rainer Blatt führten die Quanten-Teleportation vor, am MIT wurde die Quanten-Fehlerkorrektur erfolgreich implementiert. 2001 setzte IBM mit Hilfe der Kernspinresonanz erstmals den Shor-Algorithmus um. Den Innsbruckern gelang 2005 ein Rekord mit acht verschränkten Ionen in einer Ionenfalle, 2010 kam man dann bis auf 14. Derzeit scheinen auf supraleitenden Qubits basierende Konzepte am spannendsten für künftige kommerzielle Anwendungen.

Weitere Erfolge bleiben aus

Ab etwa 2010 wurde es ruhiger um das Quantencomputing. Anfängliche Rekorde sind ausgekostet, jetzt folgen die Mühen der Ebene. Vor allem bei der Skalierung auf eine größere Zahl echter Qubits kommen die Forscher nicht so schnell voran wie erhofft, obwohl alle großen IT-Firmen längst eigene Abteilungen für die Entwicklung neuer Quantenrechner haben. Anfängliche Schätzungen, dass der Markt bis 2020 einige zehn Milliarden Dollar groß sein könnte, haben sich als unrealistisch erwiesen.

Für Diskussionen sorgt vor allem das Unternehmen D-Wave Systems, das bereits einen mit bis zu 1.024 Bits operierenden "Quantencomputer" verkauft. Wie leistungsfähig der tatsächlich ist, darüber ist sich die Forschergemeinde nicht einig. Mal scheint er bei speziellen Optimierungsproblemen klassische Computer zu übertreffen, dann zeigen andere, dass mit optimierten Algorithmen doch wieder die klassischen Rechner gewinnen.

Es gibt erste Quantenkryptografie-Produkte

Die Hoffnung, dass Quanten-Kryptografie ein spannender Markt werden könnte, hat sich bisher ebenfalls nicht erfüllt. Hier gibt es zwar erste Produkte, doch der Bedarf scheint - noch? - nicht gegeben. Hinzu kommt bei Sicherheitsfragen ja immer, dass eine Kette nur so stark wie ihr schwächstes Glied ist. Kennwörter physikalisch sicher austauschen zu können, hilft eben wenig, wenn die Computer, auf denen sie landen, unsicher sind - oder ihre Nutzer sie auf Zetteln am Monitor notieren.

Vermutlich wird der Quantencomputer nie den herkömmlichen Computer ersetzen, wie man sich das eine Zeit lang vorgestellt hat. Viele Probleme lassen sich auf herkömmliche Art und Weise wunderbar lösen. Aber das eine große Problem, das die Menschheit lösen muss, um sich fortzuentwickeln, ist der Aufbau unseres Universums, das nun einmal ein Quantensystem darstellt. Und Quantensysteme lassen sich nur auf Quantencomputern simulieren - mindestens dazu werden sie also gebraucht. Tatsächlich wäre eine auf diesem Wege erreichte Lösung, etwa eine "Theorie von allem", auch sehr viel mehr wert als die Lösung jedes klassischen Problems.  (mma)


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