Die Zukunft der Quantencomputer: Möglichkeiten und Herausforderungen

Bit und Qubit

Ein klassisches Bit ist entweder 0 oder 1. Ein Qubit kann sich dagegen in einer Überlagerung beider Zustände befinden. Erst bei der Messung entscheidet es sich – mit Wahrscheinlichkeiten, die vorher durch Rechenoperationen gezielt verändert wurden. Mehrere Qubits können zudem verschränkt sein: Ihre Zustände hängen dann so zusammen, dass sie sich nur gemeinsam beschreiben lassen.

Warum das schneller sein kann

Ein Quantencomputer probiert nicht einfach alle Möglichkeiten gleichzeitig durch, wie oft behauptet wird. Der Trick liegt in der Interferenz: Ein Quantenalgorithmus ist so gebaut, dass sich die Wahrscheinlichkeiten falscher Ergebnisse gegenseitig auslöschen und die der richtigen verstärken. Das gelingt nur bei Problemen mit einer passenden Struktur. Für E-Mails, Tabellen oder Spiele bleibt der klassische Rechner die bessere Wahl.

Meilensteine

• 1994: Peter Shor zeigt, dass ein Quantencomputer große Zahlen effizient in Primfaktoren zerlegen könnte.
• 1996: Lov Grover beschreibt einen Algorithmus, der unsortierte Suchen beschleunigt.
• 2016: IBM macht einen kleinen Quantenprozessor über die Cloud für alle zugänglich.
• 2019: Google meldet mit dem Chip Sycamore (53 Qubits), eine Aufgabe gelöst zu haben, die klassische Supercomputer praktisch nicht bewältigen – eine Behauptung, die umstritten blieb.
• 2024: Google stellt den Chip Willow vor und zeigt, dass die Fehlerrate mit wachsender Zahl von Qubits sinken kann – ein wichtiger Schritt zur Fehlerkorrektur.

Wie Qubits gebaut werden

Es gibt mehrere konkurrierende Ansätze. Supraleitende Qubits – verwendet unter anderem von IBM und Google – sind winzige Schaltkreise, die auf wenige tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Ionenfallen halten einzelne geladene Atome mit elektrischen Feldern fest und steuern sie mit Lasern. Weitere Wege nutzen neutrale Atome oder Photonen. Welcher Ansatz sich durchsetzt, ist offen.

Mögliche Anwendungen

• Chemie und Materialforschung: Moleküle sind Quantensysteme; ihre Simulation ist für klassische Rechner extrem aufwendig. Neue Katalysatoren, Batteriematerialien oder Medikamente könnten profitieren.
• Optimierung: Logistik, Finanzen oder Verkehrsplanung – hier ist allerdings noch unklar, wie groß der Vorteil in der Praxis wird.
• Kryptografie: Shors Algorithmus bedroht verbreitete Verfahren wie RSA und elliptische Kurven, sobald ausreichend große, fehlerkorrigierte Quantencomputer existieren.

Die großen Hürden

Qubits sind empfindlich. Wärme, Strahlung und kleinste Störungen zerstören ihren Zustand in Sekundenbruchteilen – man spricht von Dekohärenz. Jede Rechenoperation hat eine gewisse Fehlerquote. Die Lösung ist Quantenfehlerkorrektur: Viele physische Qubits bilden gemeinsam ein stabiles „logisches“ Qubit. Für nützliche Anwendungen braucht es aber sehr viele davon, und dafür müssen Kühlung, Verkabelung und Steuerung weit über den heutigen Stand hinaus wachsen.

Realistische Erwartungen

Quantencomputer werden klassische Rechner nicht ersetzen, sondern ergänzen – ähnlich wie Grafikkarten den Prozessor für bestimmte Aufgaben ergänzen. Zugang wird es für die meisten über die Cloud geben. Wann der erste wirklich nützliche, fehlerkorrigierte Quantencomputer läuft, kann niemand seriös vorhersagen. Wie sich Rechentechnik bisher entwickelt hat, zeigt der Beitrag vom Großrechner zum Smartphone; verwandte Kryptografie-Grundlagen erklärt der Beitrag zur Blockchain. Mehr Hintergrund bietet der Wikipedia-Artikel zum Quantencomputer.