Zukunftswelt Quantencomputer 25.01.2013, 12:45 Uhr

Ein Computer krempelt die Welt um

Er gilt als Hoffnungsträger, was die Entschlüsselung der letzten Geheimnisse der Physik angeht, und wird mit seiner Rechenleistung heutigen Computern weit überlegen sein: der Quantencomputer. Doch der Weg dorthin ist weit. Als Zwischenschritt versuchen die Quantenphysiker deshalb, das Quantensystem zu simulieren.

Der Quantencomputer könnte selbst Hochleistungs-Silizium-Chips übertreffen.

Der Quantencomputer könnte selbst Hochleistungs-Silizium-Chips übertreffen.

Foto: dpa-Zentralbild

Ein Blick in die Zukunft: Stockholm, 10. Dezember 2025. Der schwedische König verleiht den Quantenphysikern Tiberius W. und Frauke F. den Nobelpreis für Physik. Die beiden haben nach Jahrzehnten vergeblicher Versuche eines der drängensten Rätsel der Physik geklärt: Sie haben die Hochtemperatur-Supraleitung verstanden. Supraleiter leiten unterhalb einer bestimmten Temperatur Strom ohne elektrischen Widerstand. Hochtemperatur-Supraleiter tun dies bei relativ hohen Temperaturen von rund -130 °C. Jetzt, wo Physiker die Quantenphysik dieses Phänomens verstanden haben, werden sie neue Materialien entwickeln, die bei Normaltemperatur Strom leiten. Eine neue Form der Stromversorgung, verlustarme Leitungen, Transformatoren und Elektromotoren, wird den Alltag erobern – die Energieprobleme der Welt würden sich bald in Luft auflösen.

„Eigentlich sollten nicht wir den Preis bekommen“, sagt F. lächelnd, sondern „Heisenberg 1.0“. Das sei der Quantensimulator in ihrem Münchener Labor, antwortet die sympathische Forscherin auf Nachfrage. „Es ist ein Spezialcomputer, der 100 000 Rubidium-Atome benutzt, um zu rechnen.“ Heisenberg 1.0 übertreffe die Rechenleistung selbst der größten Supercomputer, die auf Basis von Silizium-Chips arbeiten. „Allerdings kann er nur simulieren, was in einem Hochtemperatur-Supraleiter passiert. Dabei sei er unschlagbar, „ansonsten aber zu doof, um eins und eins zusammenzuzählen.“ Es handle sich eben noch nicht um einen echten, frei programmierbaren Quanten-Computer.

Wieder in die Gegenwart: Garching bei München, Max-Planck-Institut für Quantenoptik, im Dezember 2012. Irgendwo in den Tiefen eines Waldes aus Linsen, Spiegeln, optischen Fasern und Lasern befindet sich eine Vakuumkammer, die etwas enthält, das der Vorläufer des fiktiven „Heisenberg 1.0“ sein könnte. Das Team um Immanuel Bloch, Professor am MPI für Quantenoptik und Leiter der „Quantum Many Body Systems Division“, hält elektrisch neutrale Atome in einem sogenannten optischen Gitter gefangen. Das ist ein regelmäßiges Hell-Dunkel-Muster aus Laserlicht. Auf die Atome wirken die hellen Bereiche wie die Mulden eines Eierkartons: Darin werden sie festgehalten, sobald sie hineingefallen sind. Die Atome, wenngleich sie sich in einer Wolke im Vakuum befinden, bilden im optischen Gitter einen künstlichen Festkörper, der sich gut studieren lässt. So wollen die Forscher Quanten-Phänomene wie Magnetismus oder Supraleitung besser verstehen.

Der Physiker, Mauel Endres, Mitarbeiter von Bloch, untersucht, wie die Gesetze der Quantenphysik die Bewegung der Atome durch das optische Gitter beeinflussen.

Bislang verfolgen Physiker dieses Ziel, indem sie die Physik in Rechenbefehle für Computer übersetzen, sodass Großrechner das Quantensystem simulieren können. Das Problem dabei: Ein Supraleiter oder ein magnetischer Festkörper enthält eine Unzahl an Elektronen und Atomen, die alle untereinander wechselwirken – ein Quantensystem von unglaublicher Komplexität. Für den Großrechner entsteht ein Rechenaufwand, den er kaum bewältigen kann.

Daher liegt der Gedanke nahe, das Modell des Quantensystems nicht in die knifflige Sprache der Computer zu übersetzen, sondern aus Quantenobjekten nachzubauen. Denn echte Atome sprechen die Sprache der Quantenphysik – eine Übersetzung ist überflüssig.

So wie sich etwa die Aerodynamik eines geplanten Flugzeugs sehr gut mit einem Modell dieses Flugzeugs studieren lässt, lassen sich Quanten-Phänomene am besten mithilfe von künstlichen Quantensystemen beobachten und dadurch verstehen.

Ein solches Modell sind die Atome im optischen Gitter. Sie wechselwirken miteinander und bilden daher ein komplexes Quantensystem. Mit zusätzlichen Laserstrahlen können die Forscher um Bloch die Atome in bestimmte Muster zwingen: etwa eine Linie oder ein Streifenmuster. Auf diese Weise können sie unterschiedliche Modelle erstellen, z. B. das eines magnetischen Materials. Das Team um Bloch hat bereits die von der Quantenmechanik gesteuerte Bewegung von Atomen durch das optische Gitter untersucht – eine der ersten Quantensimulationen.

Quantenphysiker gehen heute davon aus, dass Quantensimulatoren Jahrzehnte früher als Forschungswerkzeuge eingesetzt werden, als viel mächtigere Quanten-Computer, die ähnlich einem heutigen Computer für praktisch alle Rechenaufgaben programmierbar wären und einige Probleme sehr viel schneller erledigen könnte. Und sie würden unseren Alltag umkrempeln, wie nur wenige Innovationen zuvor.

Zurück in die Zukunft: Stockholm, 10. Dezember 2040. Die Stadt hat sich verändert. Viele Dächer sind grün von den Solardachziegeln, die durch Fotosynthese Strom erzeugen. Mithilfe von Quantensimulatoren hatten Forscher den Mechanismus der Fotosynthese enträtselt. Kurz darauf stellte eine Firma eine grüne Farbe her, die Sonnenlicht effizient in Strom verwandelt. In diesem Jahr soll nun das Forschungskonsortium geehrt werden, das den ersten frei programmierbaren Quanten-Computer entwickelt hat.

Die Nobeljuroren haben lange überlegt, ob sie das Konsortium wirklich ehren sollten. Denn seinen Mitgliedern gingen die Veränderungen, die der Quantencomputer mit sich gebracht hat nun doch etwas zu schnell, weshalb sie nur bedingt mit dieser Errungenschaft sympathisieren. Kaum waren die Gräben in der Stockholmer Innenstadt, in die supraleitende Kabel versenkt worden waren, zugeschüttet, rückten die Bagger erneut an, um Gräben für Glasfaserkabel auszuheben. Alle 10 km gruben sie zudem graue Kästen ein, die sogenannte Quanten-Repeater enthielten – Geräte, die Sender und Empfänger so miteinander verbinden, dass durch die Glasfaser eine Teleportation der Quanteninformation ermöglicht wurde. Die Abschwächung des Lichts in der Glasfaser wurde dadurch überwunden und Datenverlust vermieden.

Nicht nur in Stockholm, sondern weltweit wurde diese neue Infrastruktur aufgebaut: das Quanten-Internet, kurz QNet. Auch Satelliten und die Raumstationen wurden über Laserlinks eingebunden. Zum Glück stand das QNet gerade rechtzeitig bereit, als das 200-köpfige Konsortium von der Virtuellen Weltuniversität den ersten universellen Quantencomputer vorstellte – er stand in einem Labor des Massachusetts Institute of Technology in Cambridge. Mit seinen 250 000 Qubits knackte „Feynman“ wie die Quantenphysiker ihren Rechner nach dem Vordenker des Quantencomputers nannten, jede Verschlüsselung im Handumdrehen. Selbst die heutigen mit Graphen-Transistoren ausgerüsteten Großrechner brauchten dafür Jahrhunderte. Kreditkarten, Banküberweisungen, internationale Finanztransaktionen, Geheimdienstnachrichten: Alles wäre auf einen Schlag unsicher geworden. Wenn nicht schon vor wenigen Monaten neue, auf den Gesetzen der Quantenphysik beruhende Verschlüsselungsverfahren, die über das QNet operierten, und Quantengeld – Plastikkarten, QCards genannt, entwickelt worden wären, die einen Speicher für Quanteninformation enthielten und somit sowohl QNet-kompatibel als auch fälschungssicher waren. Denn Quanteninformation lässt sich nicht duplizieren – niemand kann eine Kopie der QCard anfertigen, um das Konto des Inhabers abzuräumen.

Wieder in der Gegenwart: Garching bei München, Max-Planck-Institut für Quantenoptik, im Dezember 2012. Im Labor des MPI-Quantenphysikers Gerhard Rempe steht schon heute ein möglicher Vorläufer eines Quanten-Netzwerkes. Rempes Physiker-Team hat vor Kurzem Quanteninformation von einem Atom durch ein Glasfaserkabel auf ein zweites Atom in einem anderen, 20 m entfernten Atom übertragen.

Wie das zukünftige Quanten-Internet aussehen könnte, schildert Rempes Kollege von der Universität Wien, Anton Zeilinger: „Einige große Quantencomputer sind als Server um den Globus verteilt und über ein Netzwerk miteinander und mit Nutzern verbunden.“ Diese Maschinen hätten so viel Rechenkraft, dass sie von Privatleuten, Unternehmen oder Wissenschaftlern aus aller Welt genutzt werden könnten. Zeilinger nennt das „Quanten-Cloud-Computing“. Um die Sicherheit ihrer Daten müssten sich die Nutzer laut Zeilinger keine Sorgen machen: „Die Betreiber der Quanten-Server können nicht herausfinden, welche Daten die Kunden senden, ja nicht einmal, welche Art von Aufgabe die Server abarbeiten“, sagt der Quantenphysiker.

Allerdings sind Quantenphysiker etwas bescheidener geworden, wenn es um die Frage geht, welche Aufgaben ein Quantencomputer wirklich schneller lösen kann als ein herkömmlicher Rechner. Zwar ist ein Quantencomputer mithilfe der Qubits in der Lage, sehr sehr viele Rechenoperationen zeitlich parallel auszuführen (siehe Kasten), doch nicht jede beliebige Rechnung lässt sich so darstellen, dass diese Art von Parallelrechnen voll zum Tragen kommt. Klar ist, dass das Knacken gebräuchlicher Verschlüsselungen und die Suche in riesigen Datenbanken mit Quantencomputern viel schneller geht als mit üblichen Rechnern. „Generell werden Quantencomputer sehr schnell Gemeinsamkeiten von sehr vielen Eingabedaten erkennen können“, sagt Zeilinger. Das könne etwa bei der Mustererkennung helfen.

Die ferne Zukunft: Frankfurt, im Mai 2060. Der neue Quanten-Server mit 50 Mio. Qubits erhält von der WHO Daten von der Ausbreitung einer neuen schweren Grippe-Epidemie in Südamerika. Die Gesundheitsbehörde will wissen, ob die Grippe sich zu einer Pandemie auswachsen wird. Der Quantencomputer analysiert die Ausbreitungsmuster binnen einer halben Sekunde. Dann gibt er Entwarnung: Es droht definitiv keine Pandemie. Schöne neue Quanten-Welt.  CHRISTIAN MEIER

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