von
Quantencomputer nutzen für ihre Berechnungen die physikalischen Gesetze der sogenannten Quantenwelt, die für subatomare Teilchen wie Elektronen oder Photonen gelten. Sie widersprechen teilweise denen, die Menschen aus dem Alltag kennen.
Herkömmliche Rechner arbeiten mit Bits. Diese haben zwei Zustände: Null oder Eins. Bei Quantenrechnern heißt die kleinste Recheneinheit Quantenbit oder Qubit, welches nicht nur die Zustände Null oder Eins, sondern theoretisch unendlich viele Zwischenzustände annehmen kann. Dadurch können mehrere Schritte gleichzeitig abgearbeitet werden.
Die Rechengeschwindigkeit steigt exponentiell, wenn mehrere Qubits miteinander verbunden - im Fachjargon quantenverschränkt - werden. Denn jede Veränderung eines Qubits wirkt sich unmittelbar auf die anderen aus.
Qubits reagieren sehr empfindlich auf äußere Einflüsse. Daher müssen Quantencomputer einen erheblichen Teil ihrer Rechenpower für die Fehlerkorrektur aufwenden. Für jedes Qubit, das die eigentliche Rechenarbeit erledigt, sind je nach technologischem Konzept bis zu 100 weitere Qubits notwendig, die sich um die Fehlerkorrektur kümmern. Gemeinsam werden diese physischen Qubits zu einer Recheneinheit, einem sogenannten logischen Qubit.
Eine weitere Hürde bei der Entwicklung von Quantencomputern ist die Skalierung. Je mehr Qubits in einem Rechner arbeiten, desto größer wird üblicherweise der Aufwand für die Fehlerkorrektur. Außerdem ist die Manipulation mehrerer Atome technisch komplex.
Es gibt verschiedene technologische Ansätze: IBM und Google setzen auf supraleitende Qubits. Dabei werden spezielle Computerchips bis knapp über den absoluten Nullpunkt von minus 273,15 Grad Celsius heruntergekühlt. Dadurch kann Strom ohne elektrischen Widerstand fließen. Dies ist technisch aufwendig. Außerdem wird bei diesen Systemen viel Rechenpower für die Fehlerkorrektur benötigt.
Andere Unternehmen nutzen elektrisch geladene Atome, die in einer aus elektromagnetischen Feldern bestehenden "Ionenfalle" gehalten werden. Sie werden dann mit Lasern oder Mikrowellen beschossen, um die Qubits in einen bestimmten Zustand zu bringen beziehungsweise Informationen auszulesen. Quantencomputer auf Basis dieser Technologie rechnen vergleichsweise langsam.
Das deutsche Startup PlanQC setzt auf neutrale Atome, die mit optischen Pinzetten gehalten und manipuliert werden. Diese Technologie ist bisher recht experimentell. Der Konkurrent SaxonQ hat einen mobilen Rechner entwickelt, bei dem Qubits ähnlich wie in einer Ionenfalle in einem Diamantkristall eingebettet sind.
Microsoft arbeitet an "topologischen" Qubits auf Basis sogenannter Majorana-Teilchen. Sie gelten als vergleichsweise unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen. Andere Forscher wollen Lichtteilchen (Photonen) als Qubits nutzen. Noch hat sich keiner der Ansätze als technisch überlegen herauskristallisiert. Jedes Verfahren hat Vor- und Nachteile.
Quantencomputer sind konventionellen Rechnern nicht in allen Anwendungsfällen überlegen. Sie glänzen unter anderem bei der Ver- und Entschlüsselung von Daten. Großes Potenzial für Quantencomputer sehen Experten auch in der Finanzbranche, wo sie bei der Aufdeckung von Betrug helfen können, indem sie ungewöhnliche Aktivitäten identifizieren. Aber auch in anderen Bereichen, wie der Berechnung optimaler Routen für Speditionen, bieten sie Vorteile. Forscher arbeiten zudem an Quantenrechnern für das Training Künstlicher Intelligenz (KI).
Es gibt bereits zahlreiche Anwendungen, die auf den Gesetzen der Quantenphysik basieren. Hierzu gehören beispielsweise Laser, die an Scanner-Kassen eingesetzt werden. Auch bei Smartphone-Bildschirmen oder Navigationssystemen spielt diese Technologie eine wichtige Rolle.
Quantencomputer sind bisher über das Experimentierstadium kaum hinaus, da sie noch fehleranfällig sind. Daher setzen einige Firmen wie das deutsche Startup Terra Quantum auf sogenanntes hybrides Quantencomputing. Dabei läuft die speziell für Quantencomputer entwickelte Software auf klassischen Hochleistungsrechnern. Dies bringt den Angaben zufolge bereits einen Geschwindigkeitsvorteil. Ihr volles Potenzial könnten diese Programme aber erst in Quantencomputern ausschöpfen.
++ THEMENBILD ++ Lorenzo Carosini (Universität Wien) bei Arbeiten an einem Aufbau zum Einstellen der Anregungsenergie des Quantenpunktes aufgenommen am Mittwoch, 6. Dezember 2023, im „CD-Labor für optische Quantencomputer" an der Fakultät für Physik der Universität Wien. Photonen eignen sich u.a. aufgrund ihrer Robustheit besonders gut für Anwendungen im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung, ihre intrinsische Mobilität macht sie zu den idealen Quanteninformationsträgern für Quantennetzwerke.
