Der wahre Quantensprung
Vor 50 Jahren ging die Welt online. Es war der Anfang der digitalen Revolution, aber erst mit dem ersten iPhone 2007 nahm die Entwicklung richtig Fahrt auf. Google und der NASA ist kürzlich ein weiterer Durchbruch gelungen. Mit dem ersten funktionierenden Quantencomputer haben sie sogar ein Tor in eine ganz neue Dimension geöffnet.
Seit rund zwanzig Jahren warten Experten auf den Durchbruch beim Quantencomputer. Lange Zeit ist nicht viel passiert. In den vergangenen Jahren baute Google dann eine Forschungseinrichtung auf. Ihr stehen Gelder und Rechenkapazitäten zur Verfügung, von denen die meisten Forschungseinrichtungen nur träumen können. Dazu holte man sich die klügsten Köpfe, und davon gibt es in diesem Bereich nicht so viele. Der Deutsche Hartmut Neven ist Gründer und Leiter des „Quantum Artificial Intelligence Laboratory“ bei Google, das eng mit der NASA zusammenarbeitet. 2018 wurde dort der etwas umstrittene Begriff der Quantum Supremacy – der Quantenüberlegenheit – formuliert. Gemeint ist der Beweis, dass ein Quantencomputer eine Aufgabe viel schneller lösen kann, als es ein klassischer Hochleistungsrechner je könnte. Damit wäre auch die Church-Turing-These widerlegt. Diese besagt, dass es kein Rechnermodell geben kann, das mehr als die klassischen Rechner berechnen kann. Und dieser Beweis ist Google jetzt gelungen.
Jahrtausende in Sekunden
Dass dieser Durchbruch überhaupt bekannt wurde, war wohl nicht ganz beabsichtigt, mutet aber fast wie eine ironische Bemerkung des Universums an. Denn ein Techniker der NASA hat den geheimen Forschungsbericht wohl auf einem Computer abgelegt, der an das Internet angeschlossen war. Und dort hat ihn der Google Crawler in den Tiefen des Verzeichnisses entdeckt und an jeden geschickt, der einen Alert zum Thema eingerichtet hatte. Kurze Zeit später war der Bericht zwar wieder verschwunden, die Katze aber aus dem Sack – oder besser aus der Kiste, aber dazu kommen wir noch. Experten war schnell klar, dass dies kein Fake sein konnte. Obwohl die Fakten fast unglaublich sind: Ein Quantencomputer von Google, der Sycamore, hat eine spezielle mathematische Aufgabe in etwa 200 Sekunden gelöst. Der derzeit schnellste Superrechner hätte etwa 10.000 Jahre dafür gebraucht. Kurze Zeit später wurde der Beweis in „Nature“ veröffentlicht. Unter anderem das Forschungszentrum Jülich, eine der größten Einrichtungen Europas mit den Schlüsselkompetenzen Physik und Supercomputing, bestätigte die Daten. Und das ist wahrlich nicht einfach. Denn schon heute benötigt Google immer mehr Kapazitäten von Superrechnern, um auch nur ungefähr simulieren zu können, was sein Quantencomputer gerade berechnet.
Dass dieser Durchbruch überhaupt bekannt wurde, war wohl nicht ganz beabsichtigt, mutet aber fast wie eine ironische Bemerkung des Universums an. Denn ein Techniker der NASA hat den geheimen Forschungsbericht wohl auf einem Computer abgelegt, der an das Internet angeschlossen war. Und dort hat ihn der Google Crawler in den Tiefen des Verzeichnisses entdeckt und an jeden geschickt, der einen Alert zum Thema eingerichtet hatte. Kurze Zeit später war der Bericht zwar wieder verschwunden, die Katze aber aus dem Sack – oder besser aus der Kiste, aber dazu kommen wir noch. Experten war schnell klar, dass dies kein Fake sein konnte. Obwohl die Fakten fast unglaublich sind: Ein Quantencomputer von Google, der Sycamore, hat eine spezielle mathematische Aufgabe in etwa 200 Sekunden gelöst. Der derzeit schnellste Superrechner hätte etwa 10.000 Jahre dafür gebraucht. Kurze Zeit später wurde der Beweis in „Nature“ veröffentlicht. Unter anderem das Forschungszentrum Jülich, eine der größten Einrichtungen Europas mit den Schlüsselkompetenzen Physik und Supercomputing, bestätigte die Daten. Und das ist wahrlich nicht einfach. Denn schon heute benötigt Google immer mehr Kapazitäten von Superrechnern, um auch nur ungefähr simulieren zu können, was sein Quantencomputer gerade berechnet.
Jenseits des Verstandes
Damit ist der Mensch in neue Sphären vorgedrungen. Er kann Maschinen konstruieren, die Probleme lösen können, deren Lösungen außerhalb der Möglichkeiten des menschlichen Verstandes liegen. Kritiker bemängeln nun, dass dieser Beweis rein mathematischer Natur sei und keine Aussagekraft hätte: Ja und nein. Ja, es ist ein reiner mathematischer Beweis. Und nein, es ist eben Grundlagenforschung. Ein Einsatz von Quantencomputern in der Praxis ist allerdings noch nicht realisierbar. Optimisten sprechen von zehn Jahren, Realisten von 20 bis 30 Jahren. Und Pessimisten sagen, es wird nie passieren, da neben den theoretischen Erwägungen auch die technischen Herausforderungen immens sind. Zum einen funktioniert der Google-Rechner mit Supraleitern, die nur am absoluten Nullpunkt zuverlässig arbeiten. In Jülich experimentiert man allerdings schon mit einer Quantentechnologie auf Ionenbasis. Beides hört sich zwar nach hohem Energieverbrauch an, tatsächlich brauchen Quantencomputer insgesamt deutlich weniger Energie als klassische Rechner. Aber die Herstellung der Quantenbits oder Qubits und deren technische Anordnungen zu Rechnereinheiten stellen noch sehr große und sehr viele Herausforderungen. Trotzdem ist der Google-Computer auf jeden Fall ein wahrer Quantensprung. Viele Experten vergleichen es schon mit dem ersten Flug der Brüder Wright – und auch das war noch kein funktionierendes Flugzeug, sondern eher eine praktische Machbarkeitsstudie.
Die Theorie dahinter
Das Konzept eines Quantencomputers ist nicht neu, die Theorie dafür umso komplexer. Ganz vereinfacht gesagt: Wir leben in einer Welt der klassischen physikalischen Gesetze. Dahinter existiert die subatomare Welt, die nach den Regeln der Quantenmechanik funktioniert. Ein Teilchen kann gleichzeitig verschiedene energetische Zustände annehmen. Was das bedeutet, hat der berühmte Physiker Erwin Schrödinger schon 1935 in seinem berühmten Gedankenexperiment formuliert, das die meisten aus unzähligen Sci-Fi-Filmen oder „Big-Bang-Theory“ kennen: Die Katze in der Kiste ist gleichzeitig tot und lebendig. Wieder auf einen Computer übertragen: Unsere heutigen Computer, selbst die schnellsten Superrechner, arbeiten mit Bits, die entweder den Wert 0 oder 1 haben. Quantencomputer verwenden Qubits, die gleichzeitig mehrere Zustände annehmen können. Ein einfaches Beispiel, das die Möglichkeiten verdeutlicht: Jemand verliert in einem Park seinen Schlüssel. Er ist einen verzweigten Weg gegangen. Um ihn zu finden, müsste man an jeder Verzweigung jeden Weg gehen. Mit jeder Abzweigung multipliziert sich die Zahl der Möglichkeiten. In der Welt der Quantenmechanik kann man an jeder Verzweigung beide Wege gleichzeitig gehen. Man läuft also nur einmal durch den Park und ist trotzdem an jeder Stelle gewesen. Und das ist auch die größte Stärke von Quantencomputern. Sie können unvorstellbare große Datenmengen oder Kombinationen sehr schnell analysieren. Ein Quantencomputer spuckt auf Anhieb vielleicht nicht die perfekte Möglichkeit aus, aber er spuckt in kürzester Zeit alle Möglichkeiten aus.
Das Konzept eines Quantencomputers ist nicht neu, die Theorie dafür umso komplexer. Ganz vereinfacht gesagt: Wir leben in einer Welt der klassischen physikalischen Gesetze. Dahinter existiert die subatomare Welt, die nach den Regeln der Quantenmechanik funktioniert. Ein Teilchen kann gleichzeitig verschiedene energetische Zustände annehmen. Was das bedeutet, hat der berühmte Physiker Erwin Schrödinger schon 1935 in seinem berühmten Gedankenexperiment formuliert, das die meisten aus unzähligen Sci-Fi-Filmen oder „Big-Bang-Theory“ kennen: Die Katze in der Kiste ist gleichzeitig tot und lebendig. Wieder auf einen Computer übertragen: Unsere heutigen Computer, selbst die schnellsten Superrechner, arbeiten mit Bits, die entweder den Wert 0 oder 1 haben. Quantencomputer verwenden Qubits, die gleichzeitig mehrere Zustände annehmen können. Ein einfaches Beispiel, das die Möglichkeiten verdeutlicht: Jemand verliert in einem Park seinen Schlüssel. Er ist einen verzweigten Weg gegangen. Um ihn zu finden, müsste man an jeder Verzweigung jeden Weg gehen. Mit jeder Abzweigung multipliziert sich die Zahl der Möglichkeiten. In der Welt der Quantenmechanik kann man an jeder Verzweigung beide Wege gleichzeitig gehen. Man läuft also nur einmal durch den Park und ist trotzdem an jeder Stelle gewesen. Und das ist auch die größte Stärke von Quantencomputern. Sie können unvorstellbare große Datenmengen oder Kombinationen sehr schnell analysieren. Ein Quantencomputer spuckt auf Anhieb vielleicht nicht die perfekte Möglichkeit aus, aber er spuckt in kürzester Zeit alle Möglichkeiten aus.
Keine Geheimnisse mehr
200 Sekunden anstatt 10.000 Jahre – das klingt unglaublich und ist doch erst ein kleiner Anfang. Der Google-Rechner hat dies mit 53 Qubits geschafft. Die Rechner der Zukunft sollen aber mindestens über mehrere Tausend, eher sogar Hunderttausende Qubits verfügen. Etwa 100 Millionen Mal schneller als ein herkömmlicher Rechner sollen sie dann sein. Kaum vorstellbar, welche Probleme damit lösbar wären. Quasi jede Verschlüsselung wäre obsolet. Die NASA will die Raumfahrt revolutionieren. Neue wirkungsvolle chemische Verbindungen, Materialien, extrem wirksame Medikamente, genaue Wettersimulationen – all das wäre nur noch einen Knopfdruck entfernt. Nobelpreisträger Richard Feynman, einer der Väter der Quantenphysik, hat schon vor Jahrzehnten erkannt, dass herkömmliche Computer niemals die Natur entschlüsseln können. „Da die Quantenphysik das Betriebssystem der Natur ist, braucht es unweigerlich einen Quantencomputer, um sie zu bedienen“, erklärt Google-Experte Hartmut Neven. Die Physik im Allgemeinen – der Urknall oder Schwarze Löcher – hält noch viele Rätsel parat, die vielleicht nur mithilfe dieser Rechenleistungen gelöst werden können. Und Google: Das Unternehmen sucht weiter nach der künstlichen Intelligenz. Ein Quantencomputer mit Deep Learning könnte die Lösung sein. Selbst die Wirkungsweise des menschlichen Gehirns mit seinen 100 Milliarden Neuronen und der noch einmal eintausendmal größeren Anzahl von neuronalen Verbindungen könnte entschlüsselt werden. Auch hierzulande läuft die Forschung auf Hochtouren. In Jülich kooperiert man mit Google und die Bundesregierung steckt in den nächsten zehn Jahren eine Milliarde Euro in die Quantenforschung.
200 Sekunden anstatt 10.000 Jahre – das klingt unglaublich und ist doch erst ein kleiner Anfang. Der Google-Rechner hat dies mit 53 Qubits geschafft. Die Rechner der Zukunft sollen aber mindestens über mehrere Tausend, eher sogar Hunderttausende Qubits verfügen. Etwa 100 Millionen Mal schneller als ein herkömmlicher Rechner sollen sie dann sein. Kaum vorstellbar, welche Probleme damit lösbar wären. Quasi jede Verschlüsselung wäre obsolet. Die NASA will die Raumfahrt revolutionieren. Neue wirkungsvolle chemische Verbindungen, Materialien, extrem wirksame Medikamente, genaue Wettersimulationen – all das wäre nur noch einen Knopfdruck entfernt. Nobelpreisträger Richard Feynman, einer der Väter der Quantenphysik, hat schon vor Jahrzehnten erkannt, dass herkömmliche Computer niemals die Natur entschlüsseln können. „Da die Quantenphysik das Betriebssystem der Natur ist, braucht es unweigerlich einen Quantencomputer, um sie zu bedienen“, erklärt Google-Experte Hartmut Neven. Die Physik im Allgemeinen – der Urknall oder Schwarze Löcher – hält noch viele Rätsel parat, die vielleicht nur mithilfe dieser Rechenleistungen gelöst werden können. Und Google: Das Unternehmen sucht weiter nach der künstlichen Intelligenz. Ein Quantencomputer mit Deep Learning könnte die Lösung sein. Selbst die Wirkungsweise des menschlichen Gehirns mit seinen 100 Milliarden Neuronen und der noch einmal eintausendmal größeren Anzahl von neuronalen Verbindungen könnte entschlüsselt werden. Auch hierzulande läuft die Forschung auf Hochtouren. In Jülich kooperiert man mit Google und die Bundesregierung steckt in den nächsten zehn Jahren eine Milliarde Euro in die Quantenforschung.
