Russische Wissenschaftler haben einen Weltrekord im Quantencomputing aufgestellt.

Manche halten Quantentechnologien immer noch für Alchemie oder gar Esoterik und glauben nicht an sie. Gleichzeitig sind Quantentechnologien neben Mikroelektronik, neuen Materialien und Weltraumforschung eines der Hauptthemen in den Gesprächen des Staatschefs mit den Chefs staatlicher Unternehmen und der Russischen Akademie der Wissenschaften. Das bedeutet, dass sie durchaus ihre Vorteile haben, und wir müssen zumindest vereinfacht verstehen, was sie sind.

Unteilbares "Wellenteilchen"

Nachschlagewerke beschreiben ein Quant als den kleinsten, unteilbaren Teil einer physikalischen Größe wie Energie oder Licht. Ein Lichtquant ist also ein einzelnes Photon, ein Materiequant ein Atom, ein Ladungsquant die Ladung eines Elektrons … Quanten verhalten sich sowohl wie Teilchen als auch wie Wellen und besitzen die Eigenschaft, in mehreren Zuständen gleichzeitig zu existieren. Beispielsweise hat ein Elektron in einem Atom keine feste Rotationsbahn um den Atomkern, wie ein Planet um die Sonne. Wir können seine Energie oder Geschwindigkeit messen, aber seinen Standort nicht genau bestimmen, ohne seinen Zustand zu zerstören.

Dieser Zustand der Unsicherheit wird Superposition genannt. Um dieses Prinzip zu veranschaulichen, schlug der österreichische Physiker Erwin Schrödinger Mitte der 1930er Jahre ein Gedankenexperiment vor: Eine Katze wird in eine dunkle Kiste mit einem tödlichen Gift gesetzt, das mit einiger Wahrscheinlichkeit entweder wirken kann oder nicht. Bis die Kiste geöffnet wird (d. h. das System gestoppt wird), wissen wir daher nicht, ob die Katze tot oder lebendig ist. Sie befindet sich daher in einer „lebendig-tot“-Superposition.

Ein weiteres grundlegendes Merkmal der Quantenmechanik ist die Quantenverschränkung. Das bedeutet, dass die Zustände zweier oder mehrerer Teilchen so eng miteinander verknüpft sein können, dass sie unabhängig von ihrer Entfernung nicht getrennt beschrieben werden können. Sie „spüren“ sich sozusagen über große Entfernungen hinweg, und eine Veränderung eines Teilchens zieht sofort eine Veränderung des anderen nach sich. Ein sehr grobes Beispiel für dieses Prinzip sind Socken. Stellen Sie sich vor, Sie kaufen im Laden ein neues Paar Socken, die sich nicht unterscheiden. Eine Socke geben Sie einem Freund, der nach Wladiwostok fährt, und behalten die andere. Woher wissen Sie, welche Socke in Wladiwostok gelandet ist – die linke oder die rechte? Sie werden es nie erfahren, bis Sie eine bestimmte Aktion mit Ihrer eigenen Socke ausführen – nämlich sie anziehen. Wenn Sie Ihre Socke an Ihren rechten Fuß ziehen, wird es in Wladiwostok automatisch Ihre linke Socke sein.

Die beschriebenen Prinzipien werden zur Entwicklung eines Quantencomputers genutzt. In einem klassischen Computer ist beispielsweise die grundlegende Informationseinheit ein Bit, das nur einen von zwei Zuständen annehmen kann – „0“ oder „1“ („aus“ oder „an“). In einem Quantencomputer ist das Äquivalent eines Bits ein Qubit, das sich nicht nur im Zustand „0“ oder „1“ befinden kann, sondern auch in einer Überlagerung beider Zustände, d. h. beide Werte gleichzeitig mit bestimmten Wahrscheinlichkeiten darstellen kann. Durch Superposition und Verschränkung sind Quantencomputer theoretisch in der Lage, bestimmte Probleme deutlich schneller zu lösen als die leistungsstärksten klassischen Supercomputer.

Wird das Binärsystem verschwinden?

Obwohl die Idee des Quantencomputers erstmals 1980 vom sowjetischen Wissenschaftler Juri Manin und dem Amerikaner Paul Benioff vorgeschlagen wurde, begann das Quantenrennen erst 2018 (Russland schloss sich 2020 an). Wie Entwickler sagen, steckt das Konzept eines „Quantencomputers“ noch in den Kinderschuhen und wird viel Zeit benötigen, um auszureifen.

Viele behaupten jedoch bereits, dass sich dieses Wunder der Technik und des menschlichen Denkens, sobald es vollständig entwickelt ist, stärker von der modernen Abakus-Technologie unterscheiden wird als ein moderner Computer von einem Abakus. Während ein Holzabakus und unser alltäglicher PC letztlich Glieder desselben Binärsystems sind, wird die Quantenabakus-Technologie deutlich anders sein und den Menschen ein völlig neues Reich von Problemen und Lösungen eröffnen, so wie uns einst die Erfindung des Raumschiffs den Weg von der Erde ins All ermöglichte. Erinnern wir uns, wie viel Prozent der Menschen zu Beginn des Weltraumzeitalters daran glaubten, dass dies jemals geschehen würde?

Es wird erwartet, dass die kosmische Beschleunigung von Berechnungen auf einem Quantencomputer dazu beitragen wird, personalisierte Medikamente zu entwickeln, die Geheimnisse des Gehirns zu entschlüsseln und die zuverlässigsten Datenschutzsysteme, d. h. Verschlüsselung, zu entwickeln. Ein Quantencomputer wird jedoch den Computer, auf dem dieser Artikel geschrieben wurde, nicht ersetzen. Warum? Weil er andere Aufgaben haben wird, die über die Fähigkeiten eines herkömmlichen Computers hinausgehen, so wie die Aufgaben einer Weltraumrakete die Fähigkeiten unseres irdischen Hochgeschwindigkeitszuges übersteigen.

Computerarchitekten

Die Entwicklung von Quantencomputern, die gleichzeitig auf vier verschiedenen Quantenplattformen basieren, gilt derzeit als vielversprechend: neutrale Atome, Photonen, Supraleiter und Ionen. Russland, ein führendes Land auf diesem Gebiet, verfolgt diese Bereiche ebenfalls. Experten sind zuversichtlich, dass diese Vielfalt es uns ermöglichen wird, in verschiedenen Bereichen der Informatik maximale Ergebnisse zu erzielen. Es ist jedoch möglich, dass sich einer dieser Entwicklungsansätze mit der Zeit als Sackgasse erweist oder sich eine neue vielversprechende Richtung herausbildet.

Als fortschrittlichste Technologie gilt heute die Erzeugung von Qubits auf Basis supraleitender Schaltkreise. Rekordhalter in dieser Klasse ist IBMs 1.121-Qubit-Quantenprozessor Condor.

Doch die Anzahl der Qubits allein, sagt Ilja Semerikow, Entwickler des russischen 50-Qubit-Ionen-Quantencomputers, verrät nicht viel. Bei einem Quantencomputer sind Rechenqualität und Fehlerminimierung besonders wichtig, und in dieser Hinsicht ist unser Computer fast so gut wie der 1121-Qubit-Computer. Um die Genauigkeit des 56-Qubit-Ionen-Quantencomputers Quantinuum H2-1 zu erreichen, bedarf es allerdings noch einiger Arbeit.

Laut Semerikov nutzt der russische Computer eine Kette von Ytterbium-Ionen als Qubits. Die Ionen-Qubit-Technologie basiert auf der Nutzung elektromagnetischer Felder, um einzelne Ionen im Raum einzufangen. Diese Teilchen werden in einer Falle „aufgehängt“ und verharren nahezu bewegungslos, was äußere Störungen reduziert und ihren Quantenzustand relativ lange aufrechterhalten lässt. In der Ionenfalle werden die Teilchen bis nahe an den absoluten Nullpunkt gekühlt, und ihr Zustand lässt sich mithilfe von Laserpulsen manipulieren. Die Abfolge dieser Pulse bildet die Grundlage für Quantenalgorithmen.

Der russische Computer verfügt zwar über weniger Qubits als der amerikanische, doch diese geringe Anzahl an Informationseinheiten wird durch die hohe Zuverlässigkeit der Operationen ausgeglichen. Die FIAN-Forscher testeten eine originelle Idee: Sie verwendeten nicht ein einfaches Qubit (zweistufiges Quantensystem), sondern ein vierstufiges – ein Qudit-System – als einzelne Recheneinheit. Je nach den zugrunde liegenden Rechenalgorithmen ist dies zwei- bis sechsmal effizienter.

Meister subtiler Zustände

Für einige Algorithmen erwies sich diese spezielle Architektur als vorteilhafter. So implementierten unsere Wissenschaftler im vergangenen Jahr sogenannte Grover-Algorithmen, die die Suche in unsortierten, ungeordneten Datenbanken deutlich beschleunigen. Im Experiment trainierten sie ein neuronales Netzwerk, handschriftliche Ziffernbilder mithilfe eines Quantencomputers zu sortieren.

Erst kürzlich haben Wissenschaftler des Physikalischen Instituts die weltweit erste Verschränkungsoperation mehrerer Qubits, das sogenannte „Toffoli-Gatter“, auf ihrem Quantencomputer mit der maximalen Anzahl an Qubits demonstriert. Darüber berichtete kürzlich die renommierte Physikzeitschrift Physical Review Letters.

MK-Referenz: Das Toffoli-Gatter ist ein Quantenlogik-Element, ein „Hebel“, der auf drei Qubits (Quantenbits) wirkt. Es ändert den Zustand des dritten Qubits nur, wenn die ersten beiden Qubits im Zustand „1“ sind (d. h. den richtigen Wert anzeigen). Andernfalls ändert es das dritte Qubit nicht und hat keine Auswirkungen auf die ersten beiden.

„Es handelte sich um eine verallgemeinerte logische Multi-Qubit-Operation mit zehn Qubits“, erklärt Ilya Semerikov. „Bislang ist es die größte derartige Operation, die in der weltweiten wissenschaftlichen Literatur dokumentiert wurde. Dieses Gatter (oder „Hebel“) kann auf mehrere Quantenalgorithmen gleichzeitig angewendet werden, einschließlich des Fehlerkorrekturalgorithmus. Und was wir demonstriert haben, verdanken wir größtenteils unseren Theoretikern aus der Gruppe von Alexey Fedorov; sie haben eine Methode entwickelt, mit der man mehrstufige Quantensysteme nutzen kann, um diese Mehrteilchenoperation beispielsweise in zehn statt 100 Schritten durchzuführen.“

– Wie leistungsfähig haben sich Quantencomputer im Vergleich zu herkömmlichen Computern bereits erwiesen?

– Überhaupt nicht... Es gibt noch keine nützlichen Aufgaben, bei denen Quantencomputer klassische Computer übertreffen. Genau dieses Ergebnis streben Wissenschaftler weltweit heute an.

– Aber ich habe zum Beispiel von neuen Krebsmedikamenten gelesen, die bereits mithilfe von Quantencomputern entdeckt werden …

Im Moment sprechen wir über Quantencomputer, die eine bestimmte Berechnung mit Blick auf ein Endziel durchführen. Dies sind vorerst Pilotprojekte, um den Umgang mit Quantencomputern zu erlernen. Lassen Sie mich eine Analogie geben: Sie haben eine Maschine, die gut von 1 bis 100 zählen kann, und ich komme mit einer anderen, die nur bis 3 zählen kann, aber sehr schnell. Sie sagen: „Okay, erhöhen wir ihre Leistung um das 30-fache, dann sehen wir, ob sie bis 100 zählen kann.“ Das ist der Stand unserer heutigen Quantencomputer.

Künstliche Intelligenz, eine weitere vielversprechende Technologie, scheint deutlich weiter fortgeschritten zu sein. Werden die Bemühungen um einen „ausgereiften“ Quantencomputer vergeblich sein?

„Sicherlich zeigt KI derzeit sehr gute Ergebnisse. Bei der Herstellung von Medikamenten und komplexen chemischen Verbindungen erzielen neuronale Netze derzeit viel bessere Ergebnisse. Wir nutzen sie auch zur Optimierung unseres Quantencomputers. Es gibt jedoch einen Unterschied: KI funktioniert nur bei einer großen Stichprobe, einer spezifischen Datenbank, und sie muss lediglich das Bild, das der Kunde – der Mensch – erwartet, „erraten“ und „vervollständigen“. Ein Quantencomputer kann jedoch ohne Ausgangsdaten oder vorheriges Training arbeiten.

– Aber was lässt uns an seine zukünftigen Möglichkeiten glauben?

„Im Großen und Ganzen ist ein Quantencomputer an sich immer noch eine Überraschung. Viele, selbst unter Entwicklern, verstehen immer noch nicht, wie er selbst einfache Berechnungen durchführen kann! Der Weltrekord, den wir mit Toffolis Algorithmus erzielt haben, ist ein wichtiges Ergebnis auf dem Weg zu echten praktischen Anwendungen in der Zukunft. Ein Quantencomputer sollte einen klassischen Computer bei der Lösung potenziell komplexerer Probleme unterstützen, beispielsweise bei der Modellierung grundlegend neuer Materialien und chemischer Verbindungen, komplexer Logistik und Energie. Algorithmen für solche Probleme sind bekannt, aber damit sie funktionieren, muss ein Quantencomputer um mehrere Größenordnungen leistungsfähiger werden als heute. Auch Quantentheoretiker und Algorithmiker arbeiten weiter, und ich hoffe, dass wir bald neue Klassen von Quantenalgorithmen sehen werden.“