Googles Quantencomputer – Wie zur Erreichung der Quantenüberlegenheit aus 10.000 Jahren 200 Sekunden wurden

Quantencomputing und die für diese Technik die Grundlage bildenden Quantencomputer gelten als der nächste große Entwicklungsschritt in der Datenverarbeitung. Zwar befindet sich die Technik noch in der Entwicklungsphase, bereits heute aber lohnt sich ein Blick auf die neue spannende Supertechnik die als eine Evolution der Verarbeitung von Bits und Bytes verschrien wird.

Google soll in der vergangen Woche einen Quantencomputer entwickelt haben, der zum ersten Mal schneller Berechnungen abarbeiten konnte, als der weltweit leistungsfähigste Supercomputer und damit die sogenannte Quantenüberlegenheit erreicht haben. Diese Quantenüberlegenheit gilt dann als erreicht, wenn eine zuvor – exemplarisch definierte – Rechenaufgabe von einem einzelnen Quantencomputer abgearbeitet und gelöst werden kann. Laut Google soll der genutzte Quantencomputer die Aufgabe dabei in ca. 200 Sekunden gelöst haben. Wohlgemerkt eine Rechenaufgabe, für die einer der leistungsstärksten aktuellen Supercomputer rund 10.000 Jahre gebraucht hätte.

Doch was genau sind Quantencomputer und was unterscheidet sie von den derzeitigen Prozessoren und Computern? Unterm Strich darf vorab verkündet werden, dass sich die Quantentechnologie noch in der frühen Entwicklungsphase befindet und in den nächsten Jahren noch keine Varianten im nicht experimentellen Rahmen zu erwarten sind. Dies liegt auch dran, dass die Technologie mit Modellen der modernen Quantenphysik arbeitet und insgesamt noch viele Probleme und Fragen aufwirft. Fakt ist aber auch, dass die Ära der klassischen Prozessoren mit ihren Transistoren durch die jeweils entweder Strom fließt oder eben nicht, deren Zustand jeweils als Null oder Eins interpretiert werden kann, einem Ende entgegensteuert.

Die klassische Prozessoren-Fertigung kommt in den nächsten Jahren an ihre Grenzen. Die auf den Leiterplatten und Chips verbauten Transistoren werden bereits heute im atomaren Größen-Bereichen gefertigt. Das Problem ist, liegen die Leiterbahnen in dieser Größenordnung zu dicht beieinander, kann nicht mehr sichergestellt werden, dass der Strom auch wirklich nur dort fließt, wo er soll. Es wäre also nicht mehr möglich zu unterscheiden, ob eine Null oder Eins erzeugt wurde. Quantencomputer stellen daher den nächsten logischen Schritt der technologischen Entwicklung dar.

Die klassische Prozessoren-Fertigung kommt in den nächsten Jahren an ihre Grenzen

Wie  genau funktioniert sie aber nun, die Quantentechnologie und wo treten derzeit noch Herausforderungen auf den Plan? Arbeiten aktuelle Prozessoren wie beschrieben mit Bits und den Zuständen 0 und 1, so funktioniert die neue Technologie mit s.g. Qubits die – so schräg es klingt – beides gleichzeitig sein können. Also 1 und 0, an und aus, blau und grün, feucht und trocken, zur gleichen Zeit. Diese Tatsache sorgt dafür, dass die Darstellung und Berechnung von Aufgaben mit deutlich weniger Qubits benötigt, als bei klassischen Prozessoren. Der Ansatz stammt, wie geschrieben aus der Quantenphysik in der dieser Zustand als Superposition bekannt ist und auch unter dem Experiment – und dank der Serie „The Big Bang“ – Schrödingers Katze bekannt ist. Hierbei handelt es sich um ein Gedankenexperiment nach den Regeln der Quantenmechanik, bei dem eine Katze in einen Zustand gebracht wird, in dem sie gleichzeitig „lebendig“ und „tot“ ist.

Das Paradoxe hieran ist nun, dass das Qubit oder Quantenteilchen so lange beide Zustände (0 und 1) innehält, bis man es sich ansieht oder misst. Erst bei der Betrachtung entscheidet es sich für einen Zustand. Was sich hier etwas kompliziert anhört, ist in wirklich hochgradig komplex und auch der Grund dafür, dass große Unternehmen wie IBM, Google oder Rigetti seit Jahren großen finanziellen Aufwand für die Erforschung betreiben, um die Computer der Zukunft zu entwickeln. Eines der Probleme besteht aktuell zum Beispiel darin, dass zwar bereits schnelle Berechnungen mit noch wenigen Qubits vorgenommen werden können, dies z.B. aber einzig durch das Herunterkühlen der Kerne nahe des Nullpunkts möglich ist.

In vielen Bereichen wie der modernen Datenverschlüsselung bereitet man sich aufgrund der immensen Rechenleistung bereits auf harte Zeiten vor, dann das Knacken von aktuellen Verschlüsselungsalgorithmen ist für einen Quantencomputer keine echte Herausforderung und auch die derzeitigen Blockchains wären vor der Quantentechnik nicht sicher. Auf der anderen Seite wären die neuen Systeme analog in der Lage, ihrerseits  Verschlüsselungen zu erstellen, die nahezu unüberwindbar wären. Unüberwindbar deshalb, weil die Daten in dem Moment wo sie vom Hacker betrachtet werden, sich fest für eine Null oder Eins entscheiden und damit korrupt und nutzlos wären.